Lernende Maschinen sagen die Eigenschaften von Röntgenstrahlen-Impulsen voraus

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

Graphen-„Sandwich“ mit rotierenden Molekülen

Pressemeldung der Universität Wien vom 09.06.2017

„Wundermaterial“ Graphen als Nano-Reaktionskammer

Materialforscher um Jannik Meyer von der Fakultät für Physik der Universität Wien haben eine neue Hybridstruktur hergestellt: Bei den so genannten Buckyball-Sandwiches liegt eine einzelne Lage Fulleren-Moleküle (Kugeln aus 60 Kohlenstoffatomen mit der ungefähren Struktur eines Fußballs) eingebettet zwischen zwei Graphen-Membranen. Graphen gilt als neues „Wundermaterial“ und ist eine, nur ein Atom dicke, Schicht aus Kohlenstoff. Unter dem Elektronenmikroskop konnten die Forscher nun erstmals die Diffusion von einzelnen Molekülen im zweidimensionalen Hohlraum zwischen den Graphen-Membranen nachweisen, sowie deren Rotation und das Verschmelzen von zwei oder mehreren Molekülen beobachten. Die Studie erscheint in Science Advances.

Kohlenstoff ist eines der vielseitigsten Elemente: Es bildet die Basis für eine riesige Menge an chemischen Verbindungen, man findet es in verschiedenen Formen unterschiedlicher Dimensionalität, und es kann Bindungen in diversen Geometrien eingehen. Aus diesen Gründen nehmen Kohlenstoffmaterialien schon lange einen besonderen Platz in der Materialforschung ein. Während die dreidimensionalen Strukturen aus Kohlenstoff – Diamant und Graphit – seit der Antike bekannt sind, wurde das erste niedrigdimensionale Allotrop, die quasi 0-dimensionalen Fullerene, erst 1985 entdeckt. Seit 1991 sind eindimensionale Kohlenstoff-Nanoröhrchen ein beliebtes Forschungsthema; seit 2004 ist die zweidimensionale Form, Graphen, experimentell realisierbar. Auch verschiedene Kombinationen aus diesen Kohlenstoff-Allotropen, wie z.B. Fulleren-gefüllte Kohlenstoff-Nanoröhrchen und in Graphit eingebettete Fullerene haben WissenschafterInnen bereits hergestellt und erforscht.

Die Forscher der Universität Wien stellten jüngst ein hybrides Kohlenstoffsystem her, bei dem eine einzelne Lage Fullerene zwischen zwei Graphen-Schichten eingebettet ist. Die Untersuchung der Struktur dieses Buckyball-Sandwiches mittels atomar aufgelöster Raster-Transmissions-Elektronenmikroskopie lieferte überraschende Einblicke in die Dynamik der Moleküle. An den Rändern der Fulleren-Ebenen beobachteten die Forscher die Diffusion einzelner Fullerene innerhalb des Graphen-Sandwiches. Außerdem rotierten die Fullerene – diese Rotation wird aber blockiert, wenn die Fullerene unter längerer Elektronenbestrahlung zu größeren Objekten verschmelzen.

Mit dem Fulleren-Graphen-System haben die Wissenschafter ein neues Materialsystem hergestellt, das eine Lücke in den verfügbaren Kombinationen von Kohlenstoff-Hybridstrukturen füllt. Das Graphen-Sandwich stellt eine Nano-Reaktionskammer dar, mit der molekulare Dynamik im Transmissions-Elektronenmikroskop durch die Graphen-Fenster hindurch beobachtet werden kann. Die Forscher erwarten, dass diese Arbeit auch vielfältige neue Möglichkeiten zur Studie von anderen molekularen Systemen im zweidimensionalen Zwischenraum zweier Graphen-Membranen ermöglicht.

Originalpublikation:
Science Advances
R. Mirzayev, K. A. Mustonen, M. R. A. Monazam, A. Mittelberger, T. J. Pennycook, C. Mangler, T. Susi, J. Kotakoski, J. C. Meyer, Buckyball sandwiches. Sci. Adv. 3, e1700176 (2017)
DOI: 10.1126/sciadv.1700176

Externer Link: www.univie.ac.at

Newton auf den Kopf gestellt

Presseaussendung der Universität Innsbruck vom 01.06.2017

In der Quantenwelt bewegen sich Objekte nicht immer so, wie wir es im Alltag gewohnt sind. Innsbrucker Experimentalphysiker um Hanns-Christoph Nägerl haben gemeinsam mit Theoretikern in München, Paris und Cambridge ein Quantenteilchen beobachtet, das sich in einer Oszillationsbewegung durch ein eindimensionales Gas bewegt. Sie berichten darüber in der Fachzeitschrift Science.

Ein vom Baum fallender Apfel soll Isaac Newton zu jener Theorie inspiriert haben, die die Bewegung eines Objekts beschreibt. Die Newtonschen Gesetze besagen, dass ein sich bewegendes Objekt sich gerade weiterbewegt bis eine äußere Kraft die Bahn verändert. Die Bedeutung dieser Bewegungsgesetze ist allgegenwärtig und reicht vom Fallschirmspringer im Schwerefeld der Erde über das Gefühl der Trägheit in einem beschleunigenden Flugzeug bis zu den Umlaufbahnen der Planeten um die Sonne.

In der Quantenwelt hingegen stößt dieses Alltagsverständnis von Bewegung an Grenzen und scheitert manchmal überhaupt. „Oder können Sie sich eine Glasmurmel vorstellen, die sich durch eine Flüssigkeit auf und ab bewegt anstatt einfach runter zu fallen“, fragt Hanns-Christoph Nägerl vom Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck. Sein Team hat gemeinsam mit Theoretikern in München, Paris und Cambridge ein Quantenteilchen entdeckt, das genau dieses Verhalten zeigt. Grundlage der überraschenden Beobachtung ist die sogenannte Quanteninterferenz, jene Gesetzmäßigkeit der Quantenmechanik, wonach Teilchen sich wie Wellen verhalten, die sich aufsummieren oder auslöschen können.

Nahe am absoluten Nullpunkt

Um das Teilchen oszillieren zu sehen, haben die Forscher ein Gas aus Cäsiumatomen fast bis auf den absoluten Nullpunkt gekühlt und in sehr dünne Röhrchen gesperrt, die mit Laserstrahlen erzeugt wurden. Durch einen speziellen Trick wurden die Atome dazu gebracht, stark miteinander zu wechselwirken. Unter diesen extremen Bedingungen bilden die Teilchen eine Art Quantenflüssigkeit, deren Bewegung nur entlang der Röhrchen möglich ist. Die Physiker beschleunigten dann ein weiteres Atom in einem anderen Spinzustand durch das Gas. Dabei beobachteten sie, wie die Quantenwelle dieses Atoms von den anderen Atomen gestreut und wieder zurückreflektiert wurde. Dies erzeugte die verblüffende Oszillationsbewegung, die im Gegensatz zu dem steht, was eine Murmel macht, wenn sie ins Wasser fällt. Das Experiment zeigt, dass Newtons Gesetze in der Quantenwelt nicht uneingeschränkt gelten.

Kristallines Verhalten von Quantenflüssigkeiten

Die Tatsache, dass Quantenwellen in bestimmte Richtungen reflektiert werden können, ist nicht neu. So ist zum Beispiel bekannt, dass Elektronen im Kristallgitter eines Festkörpers reflektiert werden, was als Bragg-Streuung bezeichnet wird. Im Innsbrucker Experiment war allerdings kein Kristall vorhanden. Es war vielmehr das atomare Gas selbst, das eine Art versteckte Ordnung darstellte, was Physiker als Korrelationen bezeichnen. Die nun in der Fachzeitschrift Science veröffentlichte Arbeit zeigt, wie diese Korrelationen in Verbindung mit der Wellen-Natur von Materie die Bewegung von Teilchen in der Quantenwelt bestimmen und zu neuen Phänomenen führen, die auf den ersten Blick unserer Intuition widersprechen.

Die Eigentümlichkeit der Quantenmechanik zu verstehen, kann auch für breitere Anwendungen interessant sein und zum Beispiel dabei helfen, grundlegende Mechanismen in elektronischen Bauteilen oder sogar Transportprozesse in komplexen biologischen Systemen besser zu verstehen.

Diese Forschungen wurden unter anderem vom österreichischen Wissenschaftsfonds FWF und dem europäischen Wissenschaftsrat ERC und dem TUM Institute for Advanced Study finanziell unterstützt.

Originalpublikation:
Bloch oscillations in the absence of a lattice. Florian Meinert, Michael Knap, Emil Kirilov, Katharina Jag-Lauber, Mikhail B. Zvonarev, Eugene Demler, Hanns-Christoph Nägerl. Science 2017. DOI: 10.1126/science.aah6616

Externer Link: www.uibk.ac.at

Quantentechnologien auf dem Prüfstand

Medieninformation der Universität Innsbruck vom 18.05.2017

Angelehnt an ein Verfahren aus der Signal- und Bildverarbeitung haben Innsbrucker Physiker um Rainer Blatt gemeinsam mit Kollegen aus Deutschland und Australien eine neue Methode zur Prüfung quantenmechanischer Prozesse entwickelt und experimentell erprobt. Sie berichten darüber in der Fachzeitschrift Nature Communications.

Jede Technologie erfordert Methoden und Protokolle, die ihre Funktionstüchtigkeit überprüfen. Nur wenn garantiert werden kann, dass die Komponenten richtig zusammenspielen, können komplizierte Geräte verlässlich arbeiten. In vielen Fällen sind die Prüfmethoden standardisiert – etwa beim Auto. „Die Quantentechnologien sind hier keine Ausnahme“, sagt Thomas Monz vom Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck. Basierend auf den eigenartigen Gesetzen der Quantenmechanik sind abhörsichere Kommunikation, neue schnelle Superrechner und Simulationsmethoden möglich. Es ist jedoch besonders schwierig, für die Quantentechnologien Protokolle zu entwickeln, die deren Funktionstüchtigkeit sicherstellen. „Dies hat mit den Regeln der Quantenmechanik zu tun“, erklärt Jens Eisert, Professor für Quantenphysik an der Freien Universität Berlin. „Nicht nur verändert man mit der Messung das Objekt, es ist auch so, dass der Konfigurationsraum der Quantenmechanik gigantisch groß ist – also der abstrakte Raum, in dem man quantenmechanische Systeme beschreibt.“ Ohne neue Ideen und Methoden sei es völlig unrealistisch, Prüfmethoden zu konzipieren: Man wäre in dem riesigen Konfigurationsraum der Möglichkeiten verloren.

Neue Methode der Signalverarbeitung

In der von den Forschern aus Innsbruck, Berlin, Köln und Sydney nun entwickelten Methode kommen neuartige Ideen aus der angewandten Mathematik zum Tragen, die aus dem sogenannten Compressed-Sensing-Verfahren stammen. Dieses findet eigentlich in der Signal- und Bildverarbeitung Anwendung: Statt vollständige Daten aufzunehmen, werden hier weitaus weniger Daten in völlig zufälliger Weise aufgenommen. Die zentrale Einsicht dabei ist, dass gegenwärtigen Methoden der Bildverarbeitung ein Missverständnis zugrunde liegt: „Wenn man Bilddaten stark komprimieren und in exponentieller Weise reduzieren kann, muss dies eigentlich bedeuten, dass man die Bilddaten bereits falsch aufgenommen hat“, erläutert der Theoretiker Jens Eisert. Es müsse also Methoden geben, die Information wie Bilddaten effizienter aufzunehmen. Das Compressed-Sensing-Verfahren erlaubt genau dies: Die Einsparung an Daten, die aufgenommen werden müssen, um etwa Bilder später zu rekonstruieren, ist enorm.

Auf Quantentechnologien angewandt

Diese Ideen übertrugen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nun auf die Quantenmechanik, entwickelten sie weiter und erprobten sie im Experiment. „In diesem genuin interdisziplinären Projekt sind Methoden der angewandten Mathematik, der theoretischen Physik und der Experimentalphysik zum Tragen gekommen“, erklärt Jens Eisert. Zum Erproben der Techniken an der Universität Innsbruck haben die Physiker um Rainer Blatt und Thomas Monz einzelne geladene Teilchen (Ionen) verwendet, die wie in einer Perlenkette aufgereiht sind, und so den Quantenzustand von sieben Ionen in einem fehlerkorrigierenden Code sehr exakt rekonstruiert. Weitergedacht, sei mit solchen Methoden tatsächlich ein Prüfstand für die Präparationen von Quantensystemen denkbar, gewissermaßen ein TÜV für die Quantentechnologien, sagen die Forscher.

Gefördert wurde das Projekt unter anderem vom österreichischen Wissenschaftsfonds FWF, der Deutschen Forschungsgemeinschaft DFG und der Tiroler Industrie.

Publikation:
A. Riofrio, D. Gross, S.T. Flammia, T. Monz, D. Nigg, R. Blatt & J. Eisert. Experimental quantum compressed sensing for a seven-qubit system. Nature Communications 8, 15305 (2017). DOI: 10.1038/ncomms15305

Externer Link: www.uibk.ac.at

Hitzebeständige Kondensatoren – stabil bis 300 Grad

Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 02.05.2017

Hitze gehört zu den schlimmsten Feinden der Elektronik. Sie kann die Funktionalität stören, sie lässt elektronische Bauteile schneller altern und kann diese sogar zerstören. Fraunhofer-Forscher haben einen Kondensator entwickelt, der Temperaturen von bis zu 300 Grad Celsius aushält. Sie nutzen dabei einen neuartigen Materialmix – und einen besonderen 3D-Trick.

Hitze, Staub und Feuchtigkeit schaden elektronischen Bauteilen. Gegen Staub und Feuchtigkeit lassen sich diese gut schützen. Doch die Hitze bleibt ein Problem, denn sie entsteht im Bauteil selbst. Überall, wo Strom fließt, wird auch Hitze generiert. Und nicht immer ist in der elektronischen Komponente genügend Platz, um die Abwärme mit Kühlrippen oder Ventilatoren abzuleiten. Noch schwieriger wird es, wenn das Gerät in einer heißen Umgebung arbeitet, beispielsweise ein Bohrmeißel in der Ölindustrie, der in einigen Tausend Metern Tiefe mit hoher Geschwindigkeit rotiert. Dabei entstehen Temperaturen von bis zu 250 Grad. Hinzu kommt die enorme mechanische Belastung für die elektronischen Komponenten.

Für dieses Problem hat das Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS eine Lösung parat. Die Forscher haben einen Kondensator entwickelt, der Temperaturen von bis zu 300 Grad verkraftet. Zum Vergleich: Herkömmliche Elektronik kann nur Temperaturen von bis zu 125 Grad widerstehen.

Kondensatoren speichern Ladungsträger und zählen zu den am häufigsten verwendeten passiven Bauelementen in der Elektronik. Der Aufbau eines Kondensators ist simpel: Zwei leitfähige Platten fungieren als Plus- beziehungsweise Minus-Elektrode, dazwischen liegt eine isolierende Schicht, das sogenannte Dielektrikum. Um die Hitzebeständigkeit zu verbessern, nutzt das Team um Dorothee Dietz, Wissenschaftlerin am Fraunhofer IMS, einen neuartigen Materialmix und einige konstruktive Kniffe.

3D-Trick für mehr Fläche

Bei der Fertigung der leitenden Metallschichten werden winzige Löcher in die Grundfläche geätzt, um die Fläche zu vergrößern. Der 3D-Trick erhöht die Kapazität und ermöglicht es gleichzeitig, ein dickeres Dielektrikum zu verwenden. Eine dickere Schicht wiederum widersteht hohen Temperaturen besser und kann unkontrollierte Leckströme im Kondensator vermindern.

Auch bei der Produktion des isolierenden Dielektrikums gehen die Experten neue Wege. Sie verwenden Tantalpentoxid, eine Verbindung aus dem Metall Tantal und Sauerstoff, sowie Aluminiumoxid. Der Materialmix speichert die Ladungsträger besser als das üblicherweise verwendete Siliziumoxid und bewirkt so einen höheren Kapazitätsbelag des Kondensators. In der Elektrotechnik werden diese besonders leistungsfähigen Materialien deshalb auch als High-k-Dielektrika bezeichnet.

Außerdem verwenden die Fraunhofer-Forscher ein elektrisch hochleitfähiges Silizium sowie das besonders robuste und hitzebeständige Ruthenium. »Mit unserem Materialmix und den konstruktiven Tricks können wir einen Kondensator herstellen, der äußerst robust und hitzebeständig ist, ohne an Leistung zu verlieren«, erklärt Dorothee Dietz.

Extrem präzise: Schichten mit nur einer Atomlage

Doch die Hochtemperatur-Fähigkeit ist nicht der einzige Vorteil der Halbleiter aus dem Fraunhofer-Labor. Hergestellt werden die Kondensatoren nämlich im Metall-Oxid-Halbleiter-Verfahren (MOS). Dabei werden Schichten mit jeweils nur einer Atomlage Dicke verarbeitet (Atomic Layer Deposition). So lässt sich die Gesamtdicke der Schichten exakt einstellen. »Das macht die Produktion sehr flexibel. Der Hersteller kann Bauteile genau nach den Vorgaben des Kunden anfertigen, ohne den Prozessablauf verändern zu müssen«, sagt Dietz.

Das Know-how im Bereich der Hochtemperaturelektronik lässt sich auf viele andere passive oder aktive Bauelemente wie Widerstände, Dioden oder Transistoren anwenden. Die am Fraunhofer IMS etablierte Technologie eignet sich auch für komplette integrierte Schaltungen. Damit kann der Kondensator nicht nur im Bohrmeißel, sondern ebenso in Einspritzanlagen von Motoren oder Flugzeugturbinen verbaut werden – also überall da, wo extrem hitzebeständige und robuste Bauteile gefragt sind.

Externer Link: www.fraunhofer.de