Archiv der Kategorie: Hochschule

Für Quanten ist es nie zu kalt

Veröffentlicht am von

Presseaussendung der TU Wien vom 27.07.2017

Die merkwürdigen Eigenschaften sogenannter „quantenkritischer Punkte“ am absoluten Temperatur-Nullpunkt gehören immer noch zu den großen Rätseln der Wissenschaft.

Normalerweise muss sich die Temperatur ändern, damit man einen Phasenübergang beobachten kann: Es wird kalt, und eine Flüssigkeit gefriert. Ein Metall wird heiß und verliert seine magnetischen Eigenschaften. Doch es gibt auch Phasenübergänge, bei denen sich die Temperatur nicht ändern kann, weil sie direkt am absoluten Temperatur-Nullpunkt stattfinden. Man spricht dann von „quantenkritischen Punkten“ – sie werden seit Jahren intensiv erforscht, halten aber noch immer große Rätsel der Quantenphysik bereit.

So gibt es etwa bis heute kein umfassendes theoretisches Modell für die Hochtemperatur-Supraleitung, die vermutlich mit den quantenkritischen Punkten eng zusammenhängt – dabei könnte ein solches Modell viele nützliche technische Anwendungen hervorbringen. Thomas Schäfer, Karsten Held und Alessandro Toschi vom Institut für Festkörperphysik der TU Wien arbeiten an einem besseren Verständnis dieser Phänomene, neue Ideen dazu veröffentlichten sie nun im Journal „Physical Review Letters.“

Fluktuationen: Alles, was wackeln kann, wackelt

„Normalerweise sind thermische Fluktuationen für Phasenübergänge verantwortlich“, erklärt Thomas Schäfer. „Auf ganz zufällige Weise beginnen zum Beispiel einzelne Teilchen zu wackeln oder sich zu drehen. Je höher die Temperatur, umso ausgeprägter werden diese Fluktuationen, und das kann zu einem Phasenübergang führen – zum Beispiel zum Schmelzen eines Festkörpers.“

Verringert man die Temperatur, dann gehen die Bewegungen der Teilchen immer mehr zurück, bis sie sich am absoluten Nullpunkt eigentlich gar nicht mehr bewegen sollten. Somit, so könnte man annehmen, müsste am absoluten Temperatur-Nullpunkt vollkommene Ruhe eingekehrt sein, bei der sich nichts mehr verändern kann – aber ganz so einfach ist die Sache nicht.

„Die Quantenphysik verbietet, dass sich ein Teilchen völlig ruhig an einem ganz bestimmten Ort aufhält“, sagt Alessandro Toschi. „Die Unschärferelation von Heisenberg sagt uns, dass Ort und Impuls nicht völlig exakt bestimmt sein können. Daher können sich Ort und Impuls des Teilchens auch am absoluten Nullpunkt ändern, auch wenn die klassischen thermischen Fluktuationen verschwunden sind. Man spricht dann von Quantenfluktuationen.“

Wenn es also zu kalt ist, um klassische Wackelbewegungen zu erlauben, sorgt immer noch die Quantenphysik dafür, dass physikalisch interessante Dinge geschehen können. Und genau deshalb sind Phasenübergänge beim Temperatur-Nullpunkt immer so interessant.

Impuls und Energie

„Entscheidend für das Verhalten der Teilchen ist, wie ihr Impuls mit der Energie zusammenhängt“, sagt Thomas Schäfer. Bei einer Kugel, die durch die Luft geworfen wird, ist der Zusammenhang einfach: Je höher der Impuls, umso höher die Bewegungsenergie. Die Energie steigt mit dem Quadrat des Impulses. Bei Teilchen in einem Festkörper ist dieser Zusammenhang aber viel komplizierter. Je nach Richtung, in die sich das Teilchen bewegt, kann er ganz unterschiedlich aussehen. Man stellt diesen Zusammenhang daher mit sogenannten „Fermi-Flächen“ dar, die komplizierte dreidimensionale Formen annehmen können.

„Bisher dachte man, dass die Form dieser Fermi-Flächen bei Quantenphasenübergängen keine wichtige Rolle spielt“, sagt Karsten Held. „Wir konnten nun zeigen, dass das nicht so ist. Erst wenn man die Form berücksichtigt, kann man bestimmte physikalische Effekte korrekt berechnen – zum Beispiel die Art, wie sich magnetische Eigenschaften eines Materials verändern, wenn man sich dem absoluten Nullpunkt nähert.“

Mit diesem neuen Werkzeug hoffen die Forscher nun, quantenkritische Materialien besser beschreiben zu können – und vielleicht lassen sich so einige der großen Geheimnisse lüften, an denen in der Materialwissenschaft seit Jahren so intensiv geforscht wird.

Die Ergebnisse wurden im Rahmen des Austria-Russia FWF-Projekts „Quantenkritikalität in stark korrelierten Magneten (QCM)“ (I-610 N16), unter der Leitung von Prof. Alessandro Toschi (Institut für Festkörperphysik der TU Wien) und durch die langfristige Kooperation mit Prof. Andrey Katanin (Institut of Metal Physics, Ekaterinburg, Russia), erzielt. (Florian Aigner)

Originalpublikation:
T. Schäfer, A. A. Katanin, K. Held, and A. Toschi: Interplay of Correlations and Kohn Anomalies in Three Dimensions: Quantum Criticality with a Twist.

Externer Link: www.tuwien.ac.at

Im Strom der Bläschen

Veröffentlicht am von

Presseinformation der LMU München vom 21.07.2017

In Zellvesikeln spielen Ionenkanäle bei zahlreichen Transportvorgängen eine entscheidende Rolle. LMU-Wissenschaftler haben nun eine Methode entwickelt, mit der sie diese molekularen Schleusen spezifischer als bisher untersuchen können.

In Tierzellen bilden kleine Bläschen membranumgebene Vesikel, die als Endo- und Lysosomen bezeichnet werden und an zahlreichen Transportprozessen beteiligt sind. Ionenkanäle, durch die geladene Teilchen durch die Vesikelmembran geschleust werden, nehmen dabei eine Schlüsselposition ein. Defekte in diesem System spielen für die Entstehung zahlreicher Stoffwechselkrankheiten eine wichtige Rolle. Deshalb ist die Entschlüsselung ihrer Funktion auch therapeutisch bedeutsam. PD Christian Grimm und Professor Christian Wahl-Schott vom Department Pharmazie der LMU gehören zu den europaweit führenden Experten für die Untersuchung von endolysosomalen Ionenkanälen mithilfe der sogenannten Patch-Clamp-Technik, die sie in der aktuellen Ausgabe des Fachmagazins Nature Protocols beschreiben. Dem LMU Team ist es am von Professor Martin Biel geleiteten Lehrstuhl für Pharmakologie nun gelungen, die Methode so weiter zu entwickeln, dass spezifisch bestimmte Vesikel analysiert werden können. Dies eröffnet ganz neue Perspektiven, gezielt einzelne Ionenkanäle anzusteuern und zu modifizieren. Über die Weiterentwicklung der Methode berichten die Wissenschaftler in der aktuellen Ausgabe des Journals Cell Chemical Biology.

Das endolysosomale System der Zelle besteht aus sogenannten frühen und späten Endosomen, sowie Recycling-Endosomen und Lysosomen. Die verschiedenen Vesikel-Typen erfüllen unterschiedliche Aufgaben: Frühe Endosomen nehmen in der Nähe der Zellmembran Partikel auf, die dann entweder über die Recycling-Endosomen zurück an die Zellmembran gelangen, oder zu den späten Endosomen und dann zu den Lysosomen transportiert werden, wo sie mithilfe von Enzymen zerlegt werden. Dieses System ist an zahlreichen Stoffwechselprozessen beteiligt und spielt auch bei der Regulierung des Schwermetallhaushalts oder für die korrekte Lokalisation bestimmter Membranrezeptoren eine wichtige Rolle. Dabei sind eine Vielzahl verschiedener Ionenkanäle involviert: „Laut Proteomstudien gibt es bis zu 70 verschiedene Ionenkanal-Transportproteine im Lysosom und Endosom“, sagt Grimm.

Mit der Patch-Clamp-Technik können die Wissenschaftler den Stromfluss durch einzelne Ionenkanäle messen und so feststellen, ob der Kanal aktiv oder inaktiv ist. Dazu saugen die Forscher einen kleinen Membranbereich mit einer Mikropipette leicht an. Mit einer Mikroelektrode legen sie anschließend eine Prüfspannung an und schicken einen Strom durch die Saugelektrode. „Allerdings sind die Vesikel in ihrem ursprünglichen Zustand zu klein, um von der Patch-Pipette erfasst zu werden, deshalb müssen sie vor der Messung vergrößert werden“, sagt Grimm. Die bisherigen pharmakologischen Tools hierfür vergrößerten allerdings unspezifisch alle endolysosomalen Vesikel-Typen. Auf der Suche nach besseren Wirkstoffen screenten die Wissenschaftler verschiedene Substanzen und entdeckten, dass eine bestimmte Kombination zweier Bio-Toxine sehr selektiv nur frühe Endosomen vergrößert, indem diese Vesikel zur Fusion angeregt werden. Außerdem konnten sie zeigen, dass ein weiteres Molekül selektiv nur späte Endosomen und Lysosomen vergrößert, während Recycling-Endosomen von keinem dieser Stoffe beeinflusst werden.

„Das ist ein großer Fortschritt, weil wir nun zwei Toolsets für eine spezifischere Herangehensweise haben und gezielt untersuchen können, welcher Kanal in welchem Vesikel aktiv ist“, sagt Grimm. Mit ihrem neuen Ansatz konnten die Wissenschaftler nachweisen, dass sogenannte TRPML3-Ionenkanäle, die den Kationenhaushalt und den pH-Wert regulieren, sowohl in frühen als auch in späten Endosomen und Lysosomen aktiv sind, während der verwandte TRPML1-Ionenkanal nur in späten Endosomen und Lysosomen, nicht jedoch in frühen Endosomen vorkommt. TRPML-Kanäle spielen bei der Entstehung zahlreicher Krankheiten eine Rolle, etwa bei der Mukolipidose, einer seltenen Stoffwechselkrankheit, die das Nervensystem beeinträchtigt. „Mit unserer weiterentwickelten Technik haben wir erstmals einen selektiven Zugang zu diesen Ionenkanälen. Das ist auch wichtig für mögliche therapeutische Anwendungen, mit denen gezielt bestimmte Kanäle gehemmt werden sollen“, sagt Grimm.

Publikationen:
Nature Protocols 2017
Cell Chemical Biology 2017

Externer Link: www.uni-muenchen.de

Molekül aus der Natur macht Akku-Elektrode hochleistungsfähig

Veröffentlicht am von

Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 11.07.2017

Neuartiges Material auf der Basis des organischen Moleküls Porphyrin ermöglicht im Labor eine Ladezeit von nur einer Minute

Chlorophyll, Blut und Vitamin B12 bauen alle auf dem Molekül Porphyrin auf. Und auch Ladegeschwindigkeit von Batterien lässt sich deutlich steigern, wenn man Porphyrin in den Elektroden nutzt. In der Zeitschrift Angewandte Chemie International Edition stellen nun Forscher des KIT das neue Materialsystem vor, das Basis sein könnte für leistungsstarke Batterien und Superkondensatoren.

Die Lithium-Ionen-Batterie ist die derzeit am weitesten verbreitete Batterietechnologie. Kein anderer wieder aufladbarer elektrischer Energiespeicher besitzt vergleichbar gute Eigenschaften in der Anwendung. Dies macht sie für Geräte wie Laptops, Handys oder Kameras derzeit unersetzlich, auch wenn verbesserte Eigenschaften wie Schnellladefähigkeit wünschenswert sind. Viele Materialien, die im Labor die Eigenschaften von Lithium-Ionen-Batterien verbessern, sind jedoch nicht nachhaltig, weil diese selten, teuer, giftig oder umweltschädlich sind. Hochleistungsfähige Speichermaterialien, welche auf nachwachsenden Rohstoffen basieren, wären das angestrebte Ideal.

Eine interdisziplinäre Forschungsgruppe um Professor Maximilian Fichtner vom Helmholtz-Institut Ulm, einer Einrichtung unter Trägerschaft des KIT, und Professor Mario Ruben vom Institut für Nanotechnologie des KIT hat nun ein neues Speichermaterial vorgestellt, welches die sehr schnelle und reversible Einlagerung von Lithium Ionen erlaubt. Dazu wurde das organische Molekül Kupferporphyrin mit funktionellen Gruppen versehen, welche beim ersten Beladungsvorgang in der Batteriezelle eine strukturelle und elektrisch leitende Vernetzung des Materials herbeiführen. Dadurch wird die Struktur der Elektrode im Labor in hohem Maße stabilisiert und mehrere tausende Lade- und Entladezyklen wurden möglich.

Mit diesem Material wurden im Labor Speicherkapazitäten von 130-170 Milli-Amperestunden pro Gramm (mAh/g) gemessen – bei einer mittleren Spannung von 3 Volt – und Be- und Entladungsdauern von nur einer Minute. Aktuell betriebene Experimente deuten darauf hin, dass sich die Speicherkapazität um weitere 100 mAh/g steigern lässt und der Speicher neben Lithium auch auf mit dem wesentlich häufigeren Element Natrium betrieben werden kann.

„Porphyrine kommen in der Natur sehr häufig vor und bilden das Grundgerüst des Blattgrüns (Chlorophyll), des Blutfarbstoffs von Menschen und Tieren (Hämoglobin), oder von Vitamin B12“, erklärt Fichtner. Man setzt technische Varianten solcher Materialien bereits ein etwa in der blauen Farbe von Laserdruckern oder von Autolacken. Durch die Bindung funktioneller Gruppen an das Porphyrin ist es gelungen, seine speziellen Eigenschaften erstmals auch für den Einsatz in elektrochemischen Speichern zu nutzen. „Die Speichereigenschaften sind außergewöhnlich, weil das Material eine Speicherkapazität wie ein Batteriematerial besitzt – aber so schnell arbeitet wie ein Superkondensator“, so Fichtner. (ase)

Publikation:
P. Gao, Z. Chen, Zh. Zhao-Karger, J.E. Mueller, Ch. Jung, S. Klyatskaya, T. Diemant, O. Fuhr, T. Jacob, J. Behm, M. Ruben, M. Fichtner, Porphyrin complex as self-conditioned electrode material for high performance energy storage, Angew. Chemie Int. Ed. (2017) doi:10.1002/ange.201702805

Externer Link: www.kit.edu

Kopplung von Nanotrompete mit Quantenpunkt erlaubt exakte Positionsbestimmung

Veröffentlicht am von

Medienmitteilung der Universität Basel vom 14.07.2017

Wissenschaftlern aus dem Netzwerk des Swiss Nanoscience Institutes und des Departement Physik der Universität Basel ist es gelungen, einen winzig kleinen Quantenpunkt mit einem tausendfach grösseren trompetenförmigen Nanodraht zu koppeln. Über die Wellenlänge des Lichts, das vom Quantenpunkt ausgesendet wird, lässt sich die Bewegung des Nanodrahtes mit einer Empfindlichkeit von 100 Femtometern detektieren. Umgekehrt kann durch Anregung des Quantenpunktes mit einem Laser die Schwingung des Nanodrahtes beeinflusst werden. «Nature Communications» hat die Ergebnisse veröffentlicht.

Die Teams um Professor Richard Warburton und Argovia-Professor Martino Poggio vom Departement Physik und dem Swiss Nanoscience Institute der Universität Basel konnten zusammen mit Kollegen von der Universität Grenoble und des CEA in Grenoble einen mechanischen Resonator von Mikrometergrösse mit einem nanometergrossen Quantenpunkt koppeln. Sie verwendeten dazu Nanodrähte aus Galliumarsenid, die etwa 10 Mikrometer lang sind und oben einen Durchmesser von wenigen Mikrometern besitzen. Die Drähte laufen nach unten spitz zu und sehen daher wie winzige, auf dem Substrat aufgereihte Trompeten aus. In der Nähe der nur etwa 200 Nanometer breiten Basis platzierten die Wissenschaftler einen einzelnen Quantenpunkt, der einzelne Lichtteilchen (Photonen) aussenden kann.

Schwingungen führen zu Spannungen

Schwingt nun der Nanodraht aufgrund einer thermischen oder elektrischen Anregung hin und her, führt die verhältnismässig grosse Masse am breiten Ende der Nanotrompete zu recht grossen Spannungen im Draht, die sich auf den Quantenpunkt an der Basis auswirken. Die Quantenpunkte werden zusammengequetscht und auseinandergezogen. Daraufhin verändert sich die Wellenlänge und damit die Farbe der vom Quantenpunkt ausgesendeten Photonen. Die Veränderungen sind zwar nicht besonders gross, doch eigens für derartige Messungen in Basel entwickelte sensible Mikroskope mit sehr stabilen Lasern sind in der Lage, die Wellenlängenveränderungen präzise zu erfassen.

Die Forscher können aus den veränderten Wellenlängen die Bewegung des Nanodrahtes mit einer Empfindlichkeit von nur 100 Femtometern detektieren. Sie erwarten, dass sich umgekehrt durch Anregung des Quantenpunktes mit einem Laser, die Schwingung des Nanodrahtes je nach Wunsch vergrössern oder verringern lässt.

Anwendungen in der Sensorik und Informationstechnologie denkbar

«Uns fasziniert vor allem, dass eine Kopplung zwischen Objekten von so unterschiedlicher Grösse möglich ist», bemerkt Professor Richard Warburton. Es gibt aber auch vielfältige Anwendungsmöglichkeiten dieser gegenseitigen Kopplung. «Wir können diese gekoppelten Nanodrähte beispielsweise als sensible Sensoren zur Analyse von elektrischen oder magnetischen Feldern einsetzen», erläutert Argovia-Professor Martino Poggio, der mit seinem Team verschiedene Anwendungen von Nanodrähten untersucht. «Denkbar ist ebenfalls, mehrere Quantenpunkte auf dem Nanodraht zu platzieren, diese über die Bewegung miteinander zu verbinden und so Quanteninformation weiterzugeben», ergänzt Richard Warburton, dessen Gruppe den vielfältigen Einsatz von Quantenpunkten in der Photonik im Fokus hat.

Künstliche Atome mit besonderen Eigenschaften

Quantenpunkte sind Nanokristalle, die auch künstliche Atome genannt werden, da sie sich ähnlich wie Atome verhalten. Mit einer typischen Ausdehnung von 10 – 100 Nanometern sind sie deutlich grösser als natürliche Atome. Ihre Grösse und Form sowie die Zahl der enthaltenen Elektronen lässt sich variieren. In den Quantenpunkten sind Elektronen in ihrer Bewegungsfreiheit deutlich eingeschränkt. Die daraus resultierenden Quanteneffekte verleihen ihnen ganz besondere optische, magnetische und elektrische Eigenschaften. So sind Quantenpunkte beispielsweise in der Lage nach einer Anregung einzelne Lichtteilchen (Photonen) auszusenden, die dann mithilfe eines massgeschneiderten Lasermikroskops erfasst werden können.

Originalartikel:
Mathieu Munsch, Andreas V. Kuhlmann, Davide Cadeddu, Jean-Michel Gérard, Julien Claudon, Martino Poggio, and Richard J. Warburton
Resonant driving of a single photon emitter embedded in a mechanical oscillator
Nature Communications (2017) | DOI: s41467-017-00097-3

Externer Link: www.unibas.ch

Lernende Maschinen sagen die Eigenschaften von Röntgenstrahlen-Impulsen voraus

Veröffentlicht am von

Pressemitteilung der Universität Kassel vom 12.07.2017

Mithilfe lernender Rechner ist es einer Forschungsgruppe mit Beteiligung der Universität Kassel gelungen, die Eigenschaften spezieller Röntgen-Strahlung aus sogenannten Freie-Elektronen-Lasern (XFELs) genau und schnell zu bestimmten. Das macht Experimentatoren in aller Welt viele Untersuchungen von Molekülen und Atomen leichter und eröffnet neue Möglichkeiten der Grundlagenforschung in der Physik, Biologie, Chemie und Materialwissenschaft.

XFELs stoßen eine extrem helle und vielseitige Strahlung aus, die in der Grundlagenforschung eingesetzt wird, um Moleküle und Atome in Großanlagen wie der Photonenquelle European XFEL in Hamburg zu beschießen und beim Zerfall zu untersuchen. Doch um die gewonnenen Daten exakt auszuwerten, müssen die Eigenschaften jedes Strahlungsimpulses – Intensität, Puls-Dauer, Wellenlänge – genau bestimmt werden. Das war bislang nur mit sehr aufwändigen und zeitintensiven Verfahren möglich.

Eine fast fünfzigköpfige Gruppe von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern hat ein Verfahren entwickelt, die Eigenschaften der Impulse mit sehr großer Genauigkeit vorherzusagen. Beteiligt waren mit Gregor Hartmann und Andre Knie auch zwei Experimentalphysiker der Universität Kassel. Die Kasseler Wissenschaftler übernahmen dabei wesentliche Experimente an der LCLS in Kalifornien. Die Ergebnisse wurden jetzt im renommierten Forschungsjournal Nature Communications veröffentlicht.

Für ihre neue Methode entwickelten die Wissenschaftler einen Trick: Bestimmte Eigenschaften von XFEL-Impulsen lassen sich nur mit einem sehr aufwändigen und langwierigen Verfahren bestimmen. Andere Eigenschaften können mit einem schnelleren Verfahren bestimmt werden, das aber nur einen Teil der nötigen Daten liefert. Die Wissenschaftler brachten ihren Rechnern bei, diese beiden Datensätze miteinander zu verknüpfen und die Beziehung zwischen ihnen zu verstehen; von den „schnelleren“ Daten können die Computer nun auch auf die Daten rückschließen, die sonst nur sehr langsam zu gewinnen wären. „Man kann sich das vorstellen wie bei einer Sprache“, vergleicht Dr. André Knie, Mitarbeiter am Institut für Physik und Geschäftsführer des Forschungsverbunds „Elektronendynamik chiraler Systeme (ELCH)“: „Wir haben dem Algorithmus beigebracht, wie die Struktur, wie die ,Grammatik‘ der Eigenschaften von XFEL-Impulsen aussieht – neue Vokabeln können dann aus dem Kontext erschlossen werden. Das bedeutet, dass die Rechner selbstständig die Ergebnisse neuer Experimente auswerten können.“ Die Treffgenauigkeit liegt bei 97 Prozent.

„Für die Grundlagenforschung bedeutet dies, dass der Einsatz von XFELs viel praktikabler wird“, erläutert Knies Kollege Dr. Gregor Hartmann. „Atome und Moleküle lassen sich so in Zukunft umfassender, schneller und einfacher untersuchen. Unsere Arbeitsgruppe wird diese Technik einsetzen, um beispielsweise die Chiralität, die Händigkeit von Molekülen zu untersuchen“, also die Frage, warum sich Moleküle aus denselben Elementen oft völlig unterschiedlich verhalten. „Das Verfahren kann aber auch die Entwicklung neuer digitaler Speicherverfahren beschleunigen und im Grunde in allen Naturwissenschaften zum Einsatz kommen.“

Die Forschungsgruppe „ELCH – Elektronendynamik chiraler Systeme“ wurde vom Land Hessen im Rahmen des LOEWE-Programms gefördert. Auch durch dieses Programm hat sich an der Universität Kassel ein Kompetenzcluster für die Untersuchung von Materie mithilfe von Laser-Impulsen profiliert.

Publikation:
Sanchez-Gonzalez, A. et al. Accurate prediction of X-ray pulse properties from a free-electron laser using machine learning. Nat. Commun. 8, 15461 doi: 10.1038/ncomms15461 (2017).

Externer Link: www.uni-kassel.de