Pressemitteilung der Universität des Saarlandes vom 15.12.2016

Veröffentlichung in Physical Review Letters

Wie sich bewegliche Algen und andere „Mikroschwimmer“ in Flüssigkeiten fortbewegen, haben Experimentalphysiker der Universität des Saarlandes gemeinsam mit Dresdner Kollegen untersucht: Sie setzten Grünalgen der Gattung Chlamydomonas einer Gegenströmung aus und erfassten die Bewegungen ihrer Geißeln mittels eines hochauflösenden Tracking-Verfahrens. Hieraus wurde ein Rechenmodell abgeleitet, das exakt vorhersagt, wie sich der „Motor“ der Winzlinge unter Belastung verhält. Die Ergebnisse könnten dazu beitragen zu verstehen, wie sich künstliche Mikroroboter beispielsweise im menschlichen Organismus künftig einmal fortbewegen könnten. Die Arbeit wurde in der Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht.

Grünalgen der Gattung Chlamydomonas bewegen sich mittels zweier beweglicher Geißeln, auch Flagellen genannt, aktiv fort. „Jede Geißel besitzt in ihrem Inneren Zehntausende molekularer Motoren – jeweils einen Millionstel Zentimeter groß. Sie sitzen wie Perlen auf einer Schnur auf den einzelnen Protein-Strängen, aus denen die Geißel aufgebaut ist“, erläutert der Saarbrücker Experimentalphysiker Christian Ruloff, Doktorand bei Professor Christian Wagner. Dieses Kollektiv molekularer Motoren verschiebt benachbarte Proteinstränge und biegt damit die ganze Geißel hin und her.

„Geißeln sind ein ‚Bestseller‘ der Natur: Auch Spermien und Pantoffeltierchen benutzen schlagende Geißeln zur Fortbewegung. Sie schlagen außerdem zu Tausenden im Gleich-Takt auf der Innenseite unserer Atemwege und den mit Hirnwasser gefüllten Hohlräumen im Hirn, um Flüssigkeit zu pumpen“, sagt Benjamin M. Friedrich vom Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed) an der TU Dresden, der gemeinsam mit Gary S. Klindt vom Dresdner Max-Planck-Institut für Physik komplexer Systeme (MPI-PKS) am Kooperationsprojekt mit den Saarbrücker Forschern beteiligt ist. Grünalgen mit ihren zwei Geißeln seien ein perfektes Modellsystem, um grundlegende Fragen zu verstehen: Wie arbeiten die molekularen Motoren in der Geißel zusammen? Wie reagiert der Motor unter Last? Und wie einigen sich mehrere Geißeln auf einen gemeinsamen Taktschlag, wenn es keinen Dirigenten gibt?

Um herauszufinden, wie die Motoren der Grünalge genau funktionieren, testeten die Physiker aus Saarbrücken und Dresden den Algenmotor unter Belastung. „Zu diesem Zweck haben wir eine Art Minilabor gebaut, in dem die Alge mithilfe einer Mikropipette in einem winzigen Strömungskanal festgehalten wird“, sagt Christian Ruloff. „Setzen wir die Alge einer Gegenströmung aus und lassen sie sozusagen flussaufwärts schwimmen, so erhöht sich ihre Schlagfrequenz so lange, bis die Last für die Motoren zu hoch ist und die Schlagbewegung aufhört“, fasst Christian Wagner die wichtigsten Beobachtungen der Experimente zusammen. Wird die Gegenströmung wieder reduziert, fängt die Zelle erneut an zu schwimmen. Diese Änderung des Geißelschlags unter Last kann man mit einem Auto vergleichen, das am Hang langsamer wird und bei zu starker Steigung schließlich nicht mehr den Berg hochkommt.

Um die Bewegung der Geißeln exakt zu erfassen, führten Christian Ruloff und Gary S. Klindt ein hochauflösendes Tracking-Verfahren durch: Dabei wurden hunderttausende Fotografien der nur zwei Zehntel Mikrometer dünnen Flagellen aufgenommen, so dass ihre Form in jeder Phase der Bewegung nachvollzogen werden konnte. Hieraus kalibrierten die Wissenschaftler aus Dresden ein Rechenmodell, mit dem sich exakt vorhersagen lässt, wie sich der Motor als Funktion der angelegten Gegenströmung verhält. „Aus dieser Information konnten wir beispielsweise bestimmen, dass die Effizienz der Algenmotoren nur 20 Prozent beträgt. Folglich werden 80 Prozent der durch Photosynthese gewonnenen chemischen Energie nicht zur Fortbewegung genutzt, sondern gehen als Wärme verloren“, erklärt Gary S. Klindt. Im Vergleich dazu nutzt der Otto-Motor im Auto zwar 40 Prozent des Treibstoffs zur Fortbewegung, allerdings arbeitet er bei 1000 Grad Celsius, während bei der Alge die Umwandlung von chemischer Energie in Arbeit bei Raumtemperatur stattfindet. „Dieses Modell kann man auf andere sich bewegende Mikroorganismen anwenden. In die Zukunft gedacht, kann es auch als Modell für die Bewegung von Mikrorobotern dienen, die beispielweise im menschlichen Organismus eingesetzt werden könnten“, sagt Professor Christian Wagner.

Veröffentlichung:
Studie „Load response of the flagellar beat“, 14.12.2016, Physical Review Letters

Externer Link: www.uni-saarland.de

Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 24.11.2016

Simulationen liefern neue Erkenntnisse über die Friktionseigenschaften von Graphen – Publikation in Nature

Die Reibungseigenschaften des zweidimensionalen Kohlenstoffs Graphen haben Wissenschaftler am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) mit Forschern am Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM sowie in China und den USA anhand von Simulationen untersucht. Bei Kontakt mit einschichtigem Graphen ist die Reibung stärker als bei mehrschichtigem Graphen oder Graphit. Zudem steigt die Reibungskraft bei fortwährendem Gleiten. Dies erklären die Forscher mit der echten Kontaktfläche sowie der sich entwickelnden Kontaktqualität. Sie berichten in der Zeitschrift Nature. (DOI: 10.1038/nature20135)

Wenn Grenzflächen von Festkörpern sich berühren und gegeneinander bewegen, tritt Reibung auf. Energie wird dabei in Wärme umgewandelt, die ungenutzt verloren geht. Außerdem kommt es durch Reibung zu Abrieb und Verschleiß. Um die Reibung bei metallischen Gleitelementen und hohen Kontaktdrücken zu vermindern, beispielsweise in Automobilen oder Industriemaschinen, werden als Festschmierstoffe häufig Stoffe mit lamellarer Struktur eingesetzt, deren Partikel leicht aufeinander gleiten.

Einer der gängigsten Festschmierstoffe ist Graphit, eine natürliche Erscheinungsform des Kohlenstoffs mit dreidimensionaler, geschichteter Struktur. Graphit besteht theoretisch aus mehreren, leicht versetzt übereinandergelegten Schichten von Graphen. Bei Graphen handelt es sich um eine Modifikation des Kohlenstoffs mit zweidimensionaler Struktur: Es besteht aus nur einer Lage von Kohlenstoffatomen, die in Sechsecken wie Bienenwaben angeordnet sind. Graphen kommt in der Natur als isoliertes einschichtiges Material nicht vor, lässt sich aber über verschiedene Verfahren herstellen.

Experimente haben gezeigt, dass bei Kontakt mit einschichtigem Graphen eine stärkere Reibung auftritt als bei mehrschichtigem Graphen oder bei Graphit und dass die Reibungskraft bei fortwährendem Gleiten steigt. Die Gründe dafür waren bisher nicht geklärt. Wissenschaftler am Institut für Angewandte Materialien (IAM) und am Institut für Nanotechnologie (INT) des KIT haben nun gemeinsam mit Forschern am Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM in Freiburg, der Xi’an Jiaotong University/China, der Tsinghua University in Beijing/China, dem Massachusetts Institute of Technology/USA und der University of Pennsylvania/USA die Experimente in atomistischen Simulationen reproduziert und sind dabei zu neuen Erkenntnissen über die schichtenabhängige Reibung und den Anstieg der Reibungskraft bei Graphen gelangt. Die Ergebnisse stellen die Forscher in der Zeitschrift Nature vor.

Bei den Simulationen ließen die Wissenschaftler eine Siliziumspitze über Graphen gleiten, das auf einem amorphen, das heißt nicht kristallinen Siliziumsubstrat aufgebracht war. Bisherige Arbeiten hatten angenommen, dass die Reibung zwischen Grenzflächen von der echten Kontaktfläche abhängt – der Zahl der Atome in dem Bereich, in dem interatomare Kräfte wirken –, und hatten die stärkere Reibung bei einschichtigem Graphen auf die größere echte Kontaktfläche zurückgeführt. Wie die Wissenschaftler des KIT und ihre Kollegen nun feststellten, spielt nicht nur die echte Kontaktfläche eine Rolle, sondern auch die sich entwickelnde Kontaktqualität.

Das dünnere und weniger fest gefügte einschichtige Graphen tendiert aufgrund seiner größeren Flexibilität dazu, seine Konfiguration immer neu einzustellen. So haften die Kohlenstoffatome stärker an den Atomen der Siliziumspitze und zeigen eine größere Synchronizität in ihrem Haft-Gleit-Verhalten. Die Kontakte auf der atomaren Skala nehmen quantitativ – was die Fläche betrifft – und qualitativ – was die Reibungskraft betrifft – zu. „Mit unserem Konzept der sich entwickelnden Kontaktqualität lässt sich erklären, warum sich die Reibung bei Grenzflächen mit lockerer Struktur über die Zeit verändert“, erklärt Dr. Suzhi Li vom IAM – Computational Materials Science des KIT. (or)

Publikation:
Suzhi Li, Qunyang Li, Robert W. Carpick, Peter Gumbsch, Xin Z. Liu, Xiangdong Ding, Jun Sun & Ju Li: The evolving quality of frictional contact with graphene. Nature, 2016. DOI: 10.1038/nature20135

Externer Link: www.kit.edu

Pressemitteilung der Universität des Saarlandes vom 14.11.2016

Quantencomputer, die bestimmte Probleme im Vergleich zu heutigen Rechnern um ein Vielfaches effizienter lösen können, stecken technisch noch in den Kinderschuhen. Diejenigen Abläufe in der Quantenwelt präzise zu steuern, die Informationen speicher- und lesbar machen, ist außerordentlich herausfordernd. Physikern der Universität des Saarlandes um Professor Christoph Becher ist es nun gelungen, ein Quantenbit, das als Grundlage für die Informationsspeicherung dient, blitzschnell und vollständig zu kontrollieren. Da solche Quantenbits sehr instabil und kurzlebig sind, mussten sie dafür einen Laserpuls nutzen, der nur eine billionstel Sekunde lang ist. Ihre Methode haben sie in der heutigen Ausgabe des renommierten Fachmagazins Nature Communications beschrieben.

Quantencomputer versprechen Lösungen für Rechenprobleme, die heutige, konventionelle Großrechner noch in die Knie zwingen oder ihnen zumindest extrem lange Rechenzeiten abverlangen. Ein Quantencomputer kann bestimmte mathematische Probleme erheblich effizienter lösen als heutige Rechner und so z.B. für Simulationen im Bereich der Wirkstoffentwicklung oder Materialforschung von unschätzbarem Wert sein.

Dahinter steckt die Informationsverarbeitung mit Qubits. Nehmen die Bits in heutigen Rechnern die Zustände 0 oder 1 ein, können Quantenbits beide Zustände gleichzeitig, einen so genannten Überlagerungszustand, einnehmen. Auf diese Weise können Rechenoperationen in Quantencomputern um ein Vielfaches schneller ablaufen – theoretisch. Denn noch ist die Kontrolle solcher Quantenbits extrem schwierig. Das liegt unter anderem an der sehr kurzen Zeitspanne, in denen ein Quantenbit zwei Zustände gleichzeitig innehat. Diese so genannte Kohärenzzeit beträgt bei den Quantenbits, die Saarbrücker Physiker erforschen, gerade einmal 45 Nanosekunden, das sind 45 milliardstel Sekunden. Dennoch ist es den Saarbrücker Forschern nun gelungen, ein Quantenbit auch in dieser extrem kurzen Zeitspanne vollständig zu kontrollieren.

Dazu nutzte Doktorand Jonas Becker aus Christoph Bechers Team spezielle Laser, mit denen er gezielt beliebige Überlagerungszustände  in einem sogenannten Silizium-Fehlstellen-Farbzentrum (SiV), das als Quantenbit fungiert, erzeugen konnte. „Aufgrund dessen spezieller elektronischer Struktur konnten wir ultrakurze Laserpulse von nur knapp einer Pikosekunde, das ist eine billionstel Sekunde, zur Kontrolle zu nutzen. Dies erlaubt Quanteninformationsverarbeitung mit extrem hoher Geschwindigkeit und ermöglicht es, tausende von Rechenoperationen innerhalb der Kohärenzzeit des SiV durchzuführen“, erklärt Becker.

Das Silizium-Fehlstellen-Farbzentrum ist ein gewollt eingebauter „Fehler“ in der atomaren Gitterstruktur eines ansonsten hochreinen künstlichen Diamanten, der aus reinem Kohlenstoff besteht. Statt des gewohnten Kohlenstoffatoms befindet sich an einer Stelle des Gitters ein Silizium-Atom. Im Gegensatz zum Diamant selbst wechselwirken solche Defekte oftmals sehr stark mit Licht. Daher ist es möglich, den internen Quantenzustand dieser Zentren mithilfe von Lasern gezielt zu verändern und auf diese Weise Information zu speichern. „Das Silizium-Fehlstellen-Farbzentrum in Diamant ist ein sehr vielversprechender Kandidat für Anwendungen der Quantentechnologien“ erklärt Jonas Becker. „Wir können viele solcher Zentren auf kleinstem Raum durch Beschuss eines hochreinen Diamanten mit einem Teilchenbeschleuniger erzeugen. Die sehr guten optischen Eigenschaften des Zentrums erlauben zudem eine effiziente optische Vernetzung der Defekte und die Kontrolle einzelner SiVs in Systemen mit mehreren Quantenbits, da wir die Laser mit hoher räumlicher Auflösung auf einzelne Zentren fokussieren können“, so Becker weiter.

In zukünftigen Arbeiten können die hier entwickelten Kontrolltechniken genutzt werden, um konkrete Bausteine für Quantenkommunikations-Anwendungen zu realisieren, wie etwa Systeme zum Speichern von Quanteninformation sowie Schnittstellen zwischen Quantenbits und Licht.

Publikation:
„Ultrafast all-optical coherent control of single silicon vacancy colour centres
in diamond“, 14. November 2016, Fachzeitschrift Nature Communications, DOI:10.1038/ncomms13512.

Externer Link: www.uni-saarland.de

Medieninformation der Universität Innsbruck vom 26.09.2016

Intelligente Maschinen, die selbständig lernen, gelten als Zukunftstrend. Forscher der Universität Innsbruck und des Joint Quantum Institute in Maryland, USA, loten nun in der Fachzeitschrift Physical Review Letters aus, wie Quantentechnologien dabei helfen können, die Methoden des maschinellen Lernens weiter zu verbessern.

In selbstfahrenden Autos, IBM’s Watson oder Google’s AlphaGo sind Computerprogramme am Werk, die aus Erfahrungen lernen können. Solche Maschinen werden im Zuge der Digitalisierung in vielen Lebensbereichen Einzug halten. Bei der Erforschung von Methoden der künstlichen Intelligenz steht besonders der Ansatz des bestärkenden Lernens im Mittelpunkt. Dabei bewegen sich Agenten in einer Umgebung und reagieren auf Belohnungen und Bestrafungen. Sie erlernen selbständig eine Strategie, um die erhaltenen Belohnungen zu maximieren. Für Agenten und Umgebungen, die den Gesetzen der Quantenphysik gehorchen, wurde dieses Modell bisher kaum untersucht. In diese Lücke stoßen nun Vedran Dunjko und Hans Briegel vom Institut für Theoretische Physik der Universität Innsbruck sowie Jacob M. Taylor vom Joint Quantum Institute in Maryland, USA, vor. Sie legen in der Fachzeitschrift Physical Review Letters eine umfassende Analyse von Methoden des maschinellen Lernens unter Quantenbedingungen vor.

Lernen in der Quantenwelt

Die Frage, wie Quantencomputer die Leistung von lernenden Computern verbessern können, wurde bisher vor allem im Kontext sehr spezieller Fragestellungen diskutiert, so zum Beispiel zur Beschleunigung von Bilderkennungsprogrammen. „Wir haben einen breiteren Ansatz gewählt und untersucht, wie Methoden des maschinellen Lernens mit Hilfe von quantenphysikalischen Konzepten verbessert werden können“, erklärt Vedran Dunjko. „Dabei haben wir theoretisch analysiert, welche Ergebnisse sich erzielen lassen, wenn Agent und Umwelt quantenphysikalischen Gesetzen unterliegen, also zum Beispiel miteinander verschränkt sind.“ Die Forscher übersetzen das Konzept des bestärkenden Lernens in die Quantenwelt und klären dabei schwierige Fragen, etwa was es heißt, wenn Quantenagenten mit der Umwelt interagieren oder wie die Geschichte dieser Interaktionen in der Quantenwelt sinnvoll beschrieben werden kann. „Wir konnten auch zeigen, wie Standardalgorithmen der Quanteninformationsverarbeitung Agenten dabei helfen können, schneller in einer Umgebung zu lernen, in der ein glücklicher Zug zu Beginn am Ende einen großen Unterschied machen kann, zum Beispiel wenn es darum geht zu lernen, wie man am besten durch ein Labyrinth navigiert“, erläutert Vedran Dunjko.

Einblick in das Weltgefüge?

In Zukunft wollen die Forscher zum Beispiel untersuchen, ob ein Quantencomputer mit Hilfe eines Quantenagenten schneller seine Umwelt erkennen kann, um durch Störungen verursachte Rechenfehler rechtzeitig zu korrigieren. Die Arbeit der Physiker könnte aber auch eine neues Licht auf die Frage werfen, wie unsere klassische Alltagswelt aus Wechselwirkungen entstehen kann, die auf mikroskopischer Ebene den Gesetzen der Quantenphysik gehorchen. „Das Verständnis darüber, wie lernende Quantenagenten mit einer Quantenumwelt interagieren, könnte neue Einsichten in diese sehr grundlegende Frage liefern“, ist auch der Leiter der Arbeitsgruppe, Hans Briegel, überzeugt.

Finanziell unterstützt werden die Arbeiten der Theoretiker unter anderem vom österreichischen Wissenschaftsfonds FWF und der Templeton World Charity Foundation.

Publikation:
Quantum-Enhanced Machine Learning. Vedran Dunjko, Jacob M. Taylor, Hans J. Briegel. Phys. Rev. Lett. 117, 130501 (2016). DOI: 10.1103/PhysRevLett.117.130501

Externer Link: www.uibk.ac.at

Medienmitteilung der Universität Basel vom 12.09.2016

Das Universitätsspital Basel nimmt als weltweit erstes Spital einen Roboter in Betrieb, der mittels Laser Knochen schneidet. Roboter «Carlo» – hergestellt von einem Spin-Off der Universität und des Universitätsspitals Basel – kann für sämtliche Knochenschnitte eingesetzt werden. Vorerst handelt es sich um einen Forschungs-Roboter, der bis 2018 für die klinische Anwendung zertifiziert werden soll.

«Carlo» ist längst kein Unbekannter mehr. Er hat mehrere Preise gewonnen und zahlreiche Medien haben schon über ihn berichtet. Bisher wurde die Konstruktion des Knochenschneid-Roboters in Labors vorangetrieben. Nun aber ist die Entwicklung einen entscheidenden Schritt weitergekommen, denn «Carlo» ist jetzt für die Anwendungsforschung einsatzbereit.

Den ersten lieferbaren Forschungs-Carlo nimmt das Universitätsspital Basel in Betrieb. Hergestellt wird der Roboter von der Firma Advanced Osteotomy Tools AG AOT, einem Spin-Off der Universität Basel und des Universitätsspitals Basel. Bis zum ersten klinischen Einsatz von «Carlo» sind noch einige Hürden zu nehmen. Noch im laufenden Jahr werden die präklinischen und 2017 die klinischen Versuche über die Bühne gehen. Läuft alles nach Plan ist für 2018 die Zertifizierung vorgesehen. Erst dann wäre der Weg frei, dass der Laserstrahl von «Carlo» erstmals Knochen von Patientinnen und Patienten schneiden könnte.

Neue Dimension erreicht

Die Vorteile, die «Carlo» im klinischen Einsatz verspricht, sind äusserst verheissungsvoll: Mit einer Schnittbreite von nur 0,2 Millimeter sind die Knochenschnitte fünf bis zehn Mal feiner als jene einer konventionellen oszillierenden Knochensäge. Kommt hinzu, dass «Carlo» auch Wellenlinien, Zickzackmuster, Kurven, S-Formen oder puzzleförmige Teile schneiden kann. Damit lassen sich Knochen besser wieder zusammenfügen, was die Heilung wesentlich beschleunigt, weniger Komplikationen zur Folge hat und die Stabilität der Knochen-Rekonstruktion stärkt. «Carlo» hat aber auch ganz praktische Vorteile, denn für den Schnitt sind keine Instrumente nötig, die gereinigt, kontrolliert, gewartet und steril verpackt werden müssen.

«Carlo» steht für Cold Ablation Robot-guided Laser Osteotome. Gesteuert wird der Roboter von einem Computer, den ein Chirurg ausgehend von einer Computertomographie für die Operation programmiert. Anschliessend führt der einarmige «Carlo» unter Aufsicht des Chirurgen den Schnitt mittels Laserstrahl selbständig, präzise und kontaktfrei durch. Bisher liessen sich Knochen nicht mit Laser schneiden, weil die erzeugte Hitze das Knochengewebe beschädigte. Mit den Möglichkeiten, die «Carlo» eröffnet, kann die Medizintechnologie eine neue Dimension erreichen.

Externer Link: www.unibas.ch