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ERC Proof of Concept Grant: Spintronik soll marktreif werden

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Presseaussendung der TU Wien vom 18.05.2016

Kleinere Bauteile, die den Spin der Elektronen nutzen: Das Spintronik-Flipflop, eine Erfindung der TU Wien, wird mit einem ERC Grant gefördert. Nun werden Prototypen gebaut.

Lange wurde die Mikroelektronik immer weiter verbessert, indem man die Bauteile verkleinerte. Doch diese Zeit ist vorbei: Man stößt auf physikalische Grenzen. Für weiteren Fortschritt braucht man alternative Ideen, und eine besonders vielversprechende ist die Spintronik. Sie nutzt nicht nur die elektrische Ladung der Elektronen, sondern auch ihren Eigendrehimpuls, den Spin. Den Elektrotechnikern Prof. Siegfried Selberherr und Thomas Windbacher vom Institut für Mikroelektronik der TU Wien ist es gelungen, ein rein auf Spintronik basierendes Flipflop zu entwickeln – ein unverzichtbares Bauteil in der Elektronik. Nun können mit einem prestigeträchtigen ERC Proof of Concept Grant erste Prototypen hergestellt werden, um die bereits patentierte Idee kommerziell verwertbar zu machen. Bereits im Vorjahr wurde das Projekt vom European Research Council für die Förderung ausgewählt, nun sind alle Voraussetzungen erfüllt, und das Projekt kann starten.

Erst berechnen, dann bauen

Das Team von Siegfried Selberherr forscht seit Jahren mit großem Erfolg im Bereich der Spintronik – das beweisen zahlreiche Patente und ein ERC Advanced Grant, mit dem Selberherr 2010 ausgezeichnet wurde. Entwickelt werden Spintronik-Bauteile nicht im Labor, sondern am Computer: „Man braucht große, aufwändige Computersimulationen, um das Verhalten der Bauteile zu berechnen, zu verstehen und zu verbessern“, erklärt Selberherr. „Ausgehend von den fundamentalen Gesetzen der Quantenphysik untersuchen wir das Verhalten der Bauteile und können sie dadurch optimieren, schon bevor sie überhaupt produziert werden.“

Ein Problem der heutigen Elektronik ist, dass man Energie und Zeit benötigt, um die elektrischen Ladungen an die gewünschten Stellen zu transportieren, und dass man laufend Energie aufwenden muss, damit die Ladungen auch dort bleiben. Bis etwa beim Hochfahren eines Handys alle Ladungen wieder dort sitzen, wo sie vor dem Abschalten waren, vergeht einige Zeit. „Spintronik würde dieses Problem lösen“, sagt Thomas Windbacher. „Bei Energieverbrauch und Geschwindigkeit ist Spintronik überlegen. Das Problem liegt allerdings daran, dass sie die extreme Integrationsdichte der herkömmlichen Elektronik derzeit nicht erreicht.“

Spintronik wird endlich kompakter

Mikroelektronik kann heute extrem kompakt gebaut werden. In der Spintronik werden heute nur Hybridlösungen eingesetzt – kombiniert mit konventioneller Mikroelektronik. Dadurch benötigt man zusätzliche Signalkonverter, die zwischen der ladungsbasierten Elektronik und der spinbasierten Spintronik vermitteln. Das macht zusätzliche Bauelemente notwendig und vergrößert somit den Platzbedarf. Selberherrs Team an der TU Wien hat daher nun Bauteile entwickelt, die ausschließlich im Spintronik-Bereich funktionieren und keine Signalkonversion zwischen diesen beiden Welten mehr brauchen.

Dabei entstand ein rein spintronisches Flipflop – ein ganz grundlegend wichtiges Bauelement. Flipflops können zwischen zwei verschiedenen Zuständen hin und her geschaltet werden, sie sind elementare Ein-Bit-Speicher. „Unser Flipflop macht sich den Spin-Transfer-Drehmoment-Effekt und die magnetische Austauschwechselwirkung für die Operation zu Nutze und ermöglicht dadurch eine extrem kompakte Struktur“, erklärt Siegfried Selberherr. Das neue Flipflop benötigt weniger als ein Zehntel der Grundfläche der bislang bekannten Flipflops. Außerdem kann es zu einem Schieberegister gestapelt werden – einem bedeutsamen logischen Schaltwerk, das sich somit ebenfalls auf extrem geringer Fläche unterbringen lässt.

ERC Proof of Concept Grant Facts

Mit den Proof of Concept Grants hat der ERC eine Möglichkeit geschaffen, die kommerzielle Verwertung für die im Rahmen von ERC Grants entstandenen Ideen und Forschungsergebnisse gezielt zu fördern. Das Ziel eines PoC-Grants ist häufig die Erstellung eines Präsentations-Pakets, um Risikokapitalgeber, Unternehmen und / oder „social entrepreneurs“ davon zu überzeugen, in diese Technologie zu investieren und sie durch die frühe Vermarktungsphase zu führen. (Florian Aigner)

Externer Link: www.tuwien.ac.at

Teilchenbeschleuniger für Quasiteilchen

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Pressemitteilung der Universität Regensburg vom 12.05.2016

Kollisionsexperimente in Halbleitern erfolgreich

Unser Standardmodell der Elementarteilchen basiert auf Erkenntnissen, die mit Hilfe von Teilchenbeschleunigern und Kollisionsexperimenten gesammelt wurden. Ein Forscherteam der Universitäten in Regensburg, Marburg und Santa Barbara (USA) hat nun einen neuen Beschleuniger für Teilchen in Festkörpern entwickelt. Das revolutionäre Verfahren wird in der neuen Ausgabe der Fachzeitschrift „Nature“ vorgestellt (DOI: 10.1038/nature17958).

Schon kleine Kinder werfen unterschiedliche Dinge auf- und gegeneinander, um so etwas über die Eigenschaften der Gegenstände zu lernen. Teilchenbeschleuniger nutzen diese Herangehensweise zur kontrollierten Untersuchung der kleinsten Bausteine der uns umgebenden Materie. So beschoss der neuseeländische Physiker Ernest Rutherford bereits Anfang des 20. Jahrhunderts Goldfolien mit Alpha-Teilchen. Aufgrund der Streueigenschaften der Alpha-Strahlung schloss er auf die Struktur des Streuzentrums und fand heraus, dass sich die Masse eines Atoms auf einen kleinen Raum – den Atomkern – konzentriert. Etwa 100 Jahre später kollidieren im Rahmen des bislang größten Experiments der modernen Wissenschaft am Kernforschungszentrum CERN hochenergetische Protonen miteinander, was schließlich zur Entdeckung des sagenumwobenen Higgs-Teilchens geführt hat.

Aufgrund der enormen Teilchenanzahl waren bislang allerdings Verfahren und Methoden zur Nutzung solcher Kollisionsexperimente für die Festkörperphysik unbekannt, obwohl unsere modernen Technologien wesentlich davon abhängen, die strukturellen und elektronischen Eigenschaften von Festkörpern zu verstehen. Gleichwohl kann in einem Festkörper die komplexe Wechselwirkung von Billionen über Billionen von Teilchen auf einzelne Objekte reduziert werden, sogenannte Quasiteilchen.

Einem Team von Physikern um Prof. Dr. Rupert Huber (Universität Regensburg) und Prof. Dr. Mackillo Kira (Philipps-Universität Marburg) ist es nun in Kooperation mit Kollegen aus dem kalifornischen Santa Barbara gelungen, solche Quasiteilchen gezielt miteinander zu kollidieren. Dazu mussten die Forscher extrem schnell vorgehen, denn die Quasiteilchen existieren nur für einen winzigen Augenblick, etwa 10 Femtosekunden lang (1 Femtosekunde ist der millionste Teil einer Millardstel Sekunde), ehe sie durch Stöße mit umliegenden Elektronen unkontrolliert gestört werden und zerfallen.

Dieses Problem umgingen die Forscher mit Hilfe der Terahertz-Hochfeldquelle an der Universität Regensburg. Zunächst erzeugten die Forscher Paare von Quasiteilchen, sogenannte Elektron-Lochpaare, im Halbleiter Wolframdiselenid mit Hilfe eines superkurzen Lichtblitzes. Die gegensätzlich geladenen Quasiteilchen ziehen einander elektrostatisch an und bilden einen atomähnlichen Komplex, den man als Exziton bezeichnet. Das starke, schwingende Lichtfeld aus der Terahertz-Hochfeldquelle trennt die beiden Quasiteilchen zunächst voneinander, um sie anschließend mit hoher Geschwindigkeit wieder miteinander zu kollidieren. Der gesamte Beschleunigungsprozess läuft dabei schneller als eine einzige Lichtschwingung ab. Die Kollisionen führen zu ultrakurzen Lichtblitzen, die wiederum – ähnlich wie in Großforschungsanlagen wie dem CERN – Rückschlüsse auf die Struktur der Quasiteilchen zulassen. Diese Beobachtungen wurden durch quantenmechanische Simulationen der Arbeitsgruppe an der Philipps-Universität Marburg unterstützt.

Die Experimente und Berechnungen der Forscher aus Regensburg, Marburg und Santa Barbara belegen, dass grundlegende Beschleunigerkonzepte aus der Teilchenphysik ebenso für Verfahren in der Festkörperphysik genutzt werden können. Die Experimente bieten neuartige Einblicke in die Eigenschaften von Quasiteilchen und könnten wesentlich zur Lösung einiger der größten Rätsel der modernen Physik wie etwa den Mechanismus der Hochtemperatursupraleitung beitragen. (Alexander Schlaak)

Titel der Original-Publikation:
F. Langer, M. Hohenleutner, C. P. Schmid, C. Poellmann, P. Nagler, T. Korn, C. Schüller, M. S. Sherwin, U. Huttner, J. T. Steiner, S. W. Koch, M. Kira, and R. Huber, Lightwave-driven quasiparticle collisions on a subcycle timescale, Nature 533, 225-229 (2016)

Externer Link: www.uni-regensburg.de

Das Passwort der anderen Art: Schädelknochen liefert digitalen Zugangscode

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Pressemitteilung der Universität des Saarlandes vom 11.05.2016

Auf Laptops und Smartphones speichern und organisieren Menschen inzwischen ihr gesamtes Leben – geschützt durch ein Passwort oder eine Geheimnummer. Diese sind jedoch oft nicht sicher, da Nutzer sie falsch wählen oder schlecht aufbewahren. Mit so genannten biometrischen Merkmalen wie Fingerabdruck, Stimme oder Iris kann man sich heute schon einfacher und sicherer ausweisen. Informatiker der Universität des Saarlandes und der Universität Stuttgart setzen nun auf ein bisher ungenutztes biometrisches Merkmal, das bei Brillencomputern wie Google Glass angewendet werden kann: Der Schädelknochen des Anwenders liefert den digitalen Zugangscode. Das Verfahren könnte auch Smartphones absichern.

„Brillencomputer wie Google Glass finden insbesondere in Unternehmen und Universitäten ihren Einsatz: Sie helfen bei Physik-Experimenten, in Chemie-Laboren, zeichnen medizinische Untersuchungen auf und unterstützen Kinderärzte während Operationen“, sagt Andreas Bulling vom Exzellenzcluster für „Multimodal Computing and Interaction“ an der Universität des Saarlandes. Dort leitet der 35 Jahre alte Informatiker die Gruppe „Perceptual User Interfaces“ und forscht außerdem am benachbarten Max-Planck-Institut für Informatik. „Die Nutzer haben bei diesen Anwendungen nicht die Hände frei, um umständlich ein Passwort einzugeben. Außerdem teilen sich oft mehrere Personen ein Gerät und speichern darauf sensible Daten ab“, erklärt Bulling. Nicht nur die Daten, auch die Brillencomputer selbst lassen sich leicht stehlen. Dies bestätigt eine Studie des Branchenverbandes Bitkom aus dem vergangenen Jahr. 28 Prozent der 1074 befragten Sicherheitsexperten aus Unternehmen geben an, dass in den vergangenen zwei Jahren Geräte auf diese Art und Weise samt den darauf gespeicherten Daten verschwunden sind.

Um im Falle eines Diebstahls den Zugang zu Google Glass zu schützen und den rechtmäßigen Nutzer zu erkennen, haben Andreas Bulling und Youssef Oualil von der Universität des Saarlandes zusammen mit Stefan Schneegass von der Universität Stuttgart eine neue Methode entwickelt. Dabei nutzten die Forscher auf geschickte Art und Weise die Sensoren, über die der Brillencomputer ohnehin verfügt. Neben dem Miniatur-Mikrofon ist dies der sogenannte Bone Conduction Speaker, der unsichtbar in das Gestell in der Nähe des rechten Ohrbügels eingelassen ist. Mit Hilfe der „Knochenleitung“, auch Knochenschall genannt, überträgt er Töne auf die gleiche Art und Weise zum Ohr, wie es spezielle Hörgeräte tun. Dazu leitet er Schallschwingungen über den das Ohr umgebenden Schädelknochen direkt an das Innenohr.

„Da der Schädelknochen individuell unterschiedlich ist, wird dabei das Tonsignal auf eine für jeden Menschen charakteristische Art und Weise verändert. Das aus dem Schädelknochen austretende Tonsignal nutzen wir dann als biometrisches Merkmal“, erläutert Bulling. Dazu lassen die Forscher den Knochenschall-Lautsprecher ein Signal abspielen, das ein breites Frequenzspektrum abdeckt. Das durch den Schädelknochen veränderte Audiosignal nehmen sie dann mit dem in der Brille integrierten Mikrofon auf. „Aus dieser Aufnahme extrahieren wir mit zwei speziellen Rechenverfahren die Identifikationsmerkmale und setzen diese zu einer Art digitalem Fingerabdruck zusammen. Dieser ist charakteristisch für jede Person und wird dann abgespeichert“, sagt Bulling. Setzt von nun an jemand den Brillencomputer auf, startet der Vorgang automatisch. Das Signal schallt durch den Schädel, das Mikrofon nimmt es auf. Passt der aktuelle Audio-Fingerabdruck zu dem abgespeicherten, bekommt die Person Zugriff auf die Brille.

„Es reicht, wenn das Signal eine Sekunde lang abgespielt wird. Damit sind wir gut eine halbe Sekunde schneller als klassische, nicht-biometrische Verfahren, die auf mobilen Endgeräten den rechtmäßigen Nutzer erkennen“, sagt Bulling. „Der entscheidende Vorteil des Verfahrens ist jedoch“, so Bulling weiter, „dass die Erkennung des Nutzers in Zukunft auch implizit stattfinden könnte, beispielsweise mittels der Töne, die das Gerät ohnehin als Feedback für den Nutzer abspielt.“ Zusammen mit seinen Kollegen hat er das auf den Namen „SkullConduct“ getaufte Verfahren an zehn Personen getestet. Diese wurden dabei mit einer Genauigkeit von 97 Prozent erkannt.  „Allerdings haben wir diese ersten Tests noch in einem Raum ohne Hintergrundgeräusche durchgeführt“, erklärt Bulling. Details zum System berichten die Forscher auf der gerade stattfindenden Konferenz „Human Factors in Computing Systems (CHI)“ in Kalifornien und beschreiben diese in der dort angenommenen Forschungsarbeit „SkullConduct: Biometric User Identification on Eyewear Computers Using Bone Conduction Through the Skull“.

Als nächstes will der Saarbrücker Informatiker gemeinsam mit seinen Kollegen untersuchen, ob ihre Methode auch im Alltag funktioniert. Sie wollen auch den Frequenzbereich von Ultraschall untersuchen, der den Vorteil hätte, dass der Anwender das Signal nicht hören würde. Die Forscher können sich ihr Verfahren grundsätzlich auch am Smartphone vorstellen. „Wenn das Smartphone über einen entsprechend platzierten Knochenschalllautsprecher und ein Mikrofon verfügt und der Anwender es mit Knochenkontakt an seinen Schädel drückt, könnte es möglicherweise sogar mit dem normalen Klingelton des Smartphones funktionieren“, sagt Bulling.

Externer Link: www.uni-saarland.de

Den Ring schließen

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Presseinformation der LMU München vom 27.04.2016

Wie Bakterien sich teilen, ist bisher nicht vollständig klar. LMU-Physiker zeigen jetzt, dass sich Proteine bei hoher Dichte von selbst zu Ringen zusammenschließen können. Sie schnüren die Mutterzelle ein und teilen sie so in Tochterzellen.

Das Abschnüren besiegelt die Trennung: Bakterien vermehren sich mithilfe eines Proteinrings, der sich in der Zellmitte wie ein Gummiband zusammenzieht und die Mutterzelle in zwei Tochterzellen teilt. LMU-Physiker um Erwin Frey, Inhaber des Lehrstuhls für Biologische und Statistische Physik, haben nun mithilfe von mathematischen Modellierungen untersucht, welche Mechanismen die Entstehung dieses sogenannten Z-Rings steuern. Dabei haben die Forscher einen ganz neuen Mechanismus der Musterbildung entdeckt: Die Simulationen zeigen, dass sich die ringbildenden Proteine von einer gewissen Moleküldichte an von selbst organisieren und zu Ringen zusammenschließen. „Aus biologischer Sicht ist dies hoch interessant, weil es ein völlig neues Licht auf die bisher nicht verstandene Dynamik der bakteriellen Zellteilung wirft“, sagt Frey. Über ihre Ergebnisse berichten die Wissenschaftler im Fachmagazin Physical Review Letters.

Der Z-Ring besteht aus sogenannten FtsZ-Proteinen, die sich zu gekrümmten Polymeren zusammenschließen, wie Experimente auf künstlichen Membranen zeigten. Diese Polymere können ihre Position verändern, indem einzelne Proteinbausteine aktiv umverteilt werden: Am Anfang des Proteins werden neue Bausteine angebaut, während am Polymerende Proteine wieder entfernt werden. Durch diesen sogenannten „Tretmühleneffekt“ scheint das Polymer über die Membran zu kriechen. „Unter bestimmten Versuchsbedingungen bilden die Polymere nach einiger Zeit Cluster, die sich zu rotierenden Ringen zusammenschließen“, sagt Jonas Denk, gemeinsam mit Lorenz Huber Erstautor der Studie. „Interessanterweise haben diese Ringe in etwa den Durchmesser einer Bakterienzelle“.

Rotierende Cluster

Den Wissenschaftlern gelang es nun, diesen ungewöhnlichen Effekt mithilfe von mathematischen Modellen zu simulieren, die die Krümmung der Polymere und ihre damit verbundene Kreisbewegung berücksichtigen. Als weiterer Parameter ging in die Simulation ein, dass sich die Polymere gegenseitig abstoßen, es also kein „Übereinanderlaufen“ der Polymere gibt. „Unsere zentrale Frage war, welcher Mechanismus die Bildung der ringförmigen Muster antreibt“, sagt Huber. Die Simulationen haben nun gezeigt, dass die Dichte der Polymere – also die Teilchenzahl – der entscheidende Faktor ist: Sind nur wenige Teilchen vorhanden, gibt es kaum Wechselwirkungen und die einzelnen Polymere bleiben voneinander separiert. Steigt die Teilchenzahl jedoch, kollidieren die Polymere miteinander. Als Folge der Kollisionen und der Kreisbewegung der einzelnen gekrümmten Polymere gruppieren sich die Polymere dann zu Clustern zusammen, die einen dichten rotierenden Ring bilden.

Nach Ansicht der Wissenschaftler legen ihre Ergebnisse nahe, dass auch die Bildung des Z-Rings in Bakterienzellen auf dieser Selbstorganisation der FtsZ-Polymere beruht – dass also die Proteindichte auch in lebenden Zellen die treibende Kraft ist, über die die Zelle die Ringbildung steuert. Ein solches sich selbst antreibendes System wäre ein völlig neuartiger Mechanismus der Ringbildung, der sich grundlegend davon unterscheidet, wie etwa in eukaryotischen Zellen Zellwände abgeschnürt werden: „Dort sind für diesen Prozess bestimmte Motorproteine essenziell, die sich an die Zellwände anheften und richtig ziehen“, sagt Denk. Zusätzlich zu ihrer biologischen Bedeutung seien diese Ergebnisse auch aus mathematisch-physikalischer Sicht hoch interessant, erklärt Huber: „Die Phänomenologie unseres Modells unterscheidet sich stark von konventionellen Klassen angetriebener oder aktiver Teilchen. Seine mathematische Beschreibung führt zu einer verallgemeinerten Version einer komplexen Gleichung, die im Zusammenhang mit Phänomenen wie der bakteriellen Turbulenz und der Musterbildung in allgemeinen, nichtlinearen Systemen eine Rolle spielt.“

Publikation:
Physical Review Letters 2016

Externer Link: www.uni-muenchen.de

Ionenkanal-Forschung erhöht die Sicherheit von Arzneimitteln

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Pressemeldung der Universität Wien vom 12.04.2016

Neue Aminosäure von Arzneistoffrezeptor an Kaliumkanal des Herzmuskels identifiziert

Am Department für Pharmakologie und Toxikologie der Universität Wien untersuchen WissenschafterInnen seit Jahren den Öffnungs- und Schließmechanismus von so genannten Ionenkanälen. Diese bestimmen u.a. die Kontraktion des Herzmuskels: Kalzium löst die Kontraktion aus, Kalium sorgt für die anschließende Entspannung. Ionenkanäle sind damit wichtige Angriffspunkte zahlreicher Medikamente: Die Erforschung dieser Proteine hilft festzustellen, ob Medikamente im Körper unerwünschte Störungen des Herzrhythmus‘ auslösen können. Nun konnten die ForscherInnen eine weitere wichtige Aminosäure identifizieren. Ihre Erkenntnisse publizieren sie in der renommierten Fachzeitschrift „Scientific Reports“.

Wenn das Herz schlägt, strömen zunächst depolarisierende Natrium- und Kalziumionen durch Ionenkanäle der Herzzellen. Der Einstrom von Kalzium löst eine Kontraktion aus und ein anschließender Kaliumausstrom sorgt dafür, dass sich das Potential an der Zellmembran wieder dem Ruhepotential annähert.

Der wichtigste Kaliumkanal für diese Repolarisation ist der sogenannte HERG-Kaliumkanal. Bekannt wurde dieser Kanal, weil er durch eine Vielzahl unterschiedlichster Arzneistoffe blockiert werden kann, was wiederum schwere Herzrhythmusstörungen auslöst. Wenn neue Wirkstoffe diesen Kanal hemmen, wird die Arzneistoffentwicklung häufig eingestellt, weswegen der HERG-Kanal auch als „drug killer“ bezeichnet wird. Bisher konnten WissenschafterInnen sechs Aminosäuren in der Kanalpore identifizieren, die wahrscheinlich den Rezeptor für diese unterschiedlichen Arzneistoffe bilden.

Priyanka Saxena, einer Studentin des Doktoratskollegs „Ionenkanäle und Transporter als molekulare Drug Targets (MolTag)“, ist es nun am Department für Pharmakologie und Toxikologie der Universität Wien gelungen, eine weitere wichtige Aminosäure zu identifizieren: Phenylalanin 557 ist eine neue Bindungsdeterminante, die eine wichtige Rolle bei der Hemmung von HERG-Kanälen durch Arzneistoffe spielt. Diese neuen Erkenntnisse beruhen auf einer theoretischen Vorhersage der Molecular Modelling Gruppe des Departments. Anna Weinzinger: „Die Hypothese, dass auch andere Aminosäuren an der Interaktion mit HERG-Blockern beteiligt sind, haben wir bereits vor einigen Jahren aufgestellt. Eine Kombination von molekularem Modeling, gerichteter Mutagenese und direkten Messungen von Ionenströmen durch mutierte HERG-Kanäle von Priyanka Saxena machte den Beweis möglich. Spannend ist, dass sich Phenylalanin in Position 557 nicht in der Kanalpore befindet, wo bisher der Rezeptor für Kanalblocker vermutet wird, sondern sozusagen in einer Seitentasche des Moleküls.“

„Da die Interaktion von Arzneistoffkandidaten mit dem HERG-Kanal in industrieller Forschung häufig zunächst in silico, d.h. an Computermodellen des Kanals getestet wird, müssen diese Modelle weltweit durch die von uns vorhergesagte Aminosäure (Phenylalanin 557) ergänzt werden. Da es sich um einen sehr wichtigen Teil des Arzneistoffrezeptors handelt, können Aussagen an Computermodellen künftig mit höherer Präzision erfolgen. Diese Arbeit hat einen wesentlichen Beitrag zur Erhöhung der Sicherheit künftiger Arzneistoffe geleistet“, schließt Steffen Hering, Leiter des Doktoratskollegs.

Publikation:
New potential binding determinant for hERG channel inhibitors: P. Saxena, E.-M. Zangerl-Plessl, T. Linder, A. Windisch, A. Hohaus, E. Timin, S. Hering & A. Stary-Weinzinger;
Scientific Reports, April 2016;
DOI: 10.1038/srep24182

Externer Link: www.univie.ac.at