Presseaussendung der TU Wien vom 04.12.2012

Wie blickt man ins Innere eines Fliegenauges? Saideh Saghafi entwickelt Laseroptik, die hochauflösende dreidimensionale Mikroskopie ermöglicht.

Feine Äderchen, dünn verästelte Nervenbahnen – mit dem Ultramikroskop, das in der Abteilung für Bioelektronik des Instituts für Festkörperelektronik der TU Wien entwickelt wurde, lassen sich winzige Details biologischer Gewebe dreidimensional darstellen. Laserstrahlen ermöglichen einen Blick in das Innere von Fliegen, Mäusen oder auch medizinischen Gewebeproben. Die Lasertechnik und Optik des Geräts wurde von Saideh Saghafi entwickelt. Ihr gelang es, aus einem Laserstrahl mit optischen Tricks eine extrem dünne zweidimensionale Laser-Fläche zu machen, mit der man die Proben Schicht für Schicht durchleuchten kann. Dafür erhielt sie nun einen wichtigen Optik-Preis.

Gewebe wird transparent

Normalerweise sind biologische Gewebe undurchsichtig, weil das Licht an den Grenzschichten zwischen unterschiedlichen Materialien gestreut wird. Aus dem selben Grund können wir nicht durch dichten Nebel hindurchsehen: Jedes einzelne schwebende Nebeltröpfchen streut das Licht – und so erkennt man nur ein diffuses Weiß.

Damit die innere Struktur von biologischem Gewebe abgebildet werden kann, muss man es zunächst für Laserstrahlen durchsichtig machen. „Die Probe wird zunächst geklärt: Das enthaltene Wasser wird durch eine Flüssigkeit mit anderen optischen Eigenschaften ersetzt, dadurch können die Laserstrahlen tief in die Probe eindringen“, erklärt Saideh Saghafi. Gemeinsam mit ihren Kolleginnen und Kollegen in der Abteilung von Prof. Hans Ulrich Dodt an der TU Wien erzeugt sie so Bilder von bisher noch nie erreichter Qualität, die für die medizinische Forschung wichtige Informationen liefern. Auch für die Untersuchung und 3D Darstellung von menschlichen Tumoren aus der Pathologie ist das neuartige Ultra-Mikroskop bestens geeignet.

Ultradünne Licht-Flächen

Aus einem gewöhnlichen, runden Laserstrahl wird durch optische Tricks zuerst ein elliptischer Strahl, und daraus dann eine dünne Licht-Schicht gemacht. „Nur etwa 1.5 Mikrometer dick ist die Fläche aus Laserlicht, die wir mit unseren Linsen herstellen“, sagt Saghafi. Vom Laserlicht angeregt beginnt eine extrem dünne Schicht der Probe zu fluoreszieren – und dieses Leuchten kann mit einer Kamera aufgenommen werden. Die Grundidee der Ultramikroskopie wird an der TU Wien schon seit Jahren verwendet, doch Saghafis dünne Laser-Schichten haben die Präzision des Mikroskopes nun noch einmal entscheidend verbessert.

Schicht für Schicht durchleuchtet man die Probe mit Laserlicht und nimmt jedes Mal ein Bild auf. Daraus wird am Computer ein vollständiges dreidimensionales Modell der Probe aufgebaut. So entstehen detaillierte Bilder von winzigen Fruchtfliegen und vom komplexen neuronalen Netzwerk in Mäusegehirnen. „Ohne das Durchleuchten der Probe mit der Laser-Fläche müsste man die Probe in dünne Schichten schneiden und dann einzeln mikroskopieren. Dabei könnte man natürlich niemals die Genauigkeit erreichen, die wir mit unserem Ultramikroskop erzielen“, erklärt Saideh Saghafi.
 
Preis für herausragende wissenschaftliche Leistung

Edmund Optics, ein großer Hersteller optischer Elemente, prämierte kürzlich die besten wissenschaftlichen Arbeiten auf dem Gebiet der Optik. Aus etwa 750 Bewerbungen wurden die drei innovativsten und technisch wertvollsten Einreichungen ausgewählt. Unter den prämierten Arbeiten des Jahres 2012 war auch Saideh Saghafi mit ihrer Licht-Flächen-Technologie. Das Preisgeld wird in Form von wertvollen optischen Elementen ausbezahlt, mit dem die Ultramikroskopie an der TU Wien noch weiter verbessert werden soll. (Florian Aigner)

Externer Link: www.tuwien.ac.at

Medienmitteilung der ETH Zürich vom 28.11.2012

Die Eigenschaften von Grundbausteinen der Elektronik lassen sich mit kalten Atomen simulieren, die durch Strukturen aus Laserlicht fliessen. Dies ist das Ergebnis von Arbeiten, in denen Wissenschaftler der ETH Zürich nun begonnen haben, mit einer neuen Generation von Quantenexperimenten das Verhalten von Stromflüssen in einem Regime zu erforschen, über welches Physiker bisher zum Teil kaum Vorhersagen machen können.

Moderne elektronische Komponenten erreichen heute solch kleine Abmessungen, dass Quanteneffekte ins Spiel kommen. Für die weitere Entwicklung und insbesondere Miniaturisierung dieser Bausteine ist es deshalb von immer dringender Bedeutung, Kollektive aus vielen Quantenteilchen – so wie es Elektronen welche sind – zu verstehen. Mit aktuellen theoretischen und rechnerischen Methoden ist es jedoch oft nicht möglich, das Verhalten solcher „Vielteilchensysteme“ vorherzusagen. Alternative Methoden zu finden, ist deshalb der Gegenstand intensiver Forschung. Die Gruppe von Tilman Esslinger vom Institut für Quantenelektronik der ETH Zürich hat nun eine experimentelle Plattform entwickelt, mit welcher der Fluss von Elektronen durch kleinste Kanäle simuliert werden kann. Die Ergebnisse dieser Arbeit sind in zwei Artikeln in den Fachzeitschriften Science und Nature erschienen.

Simulieren statt rechnen

Angesichts der fortschreitenden Miniaturisierung von elektronischen Komponenten wird es zunehmend wichtig, beim Design von neuen Elementen Quanteneffekte mit in Betracht zu ziehen. Dass die Gesetze der Quantenmechanik zusehends bemerkbar werden, eröffnet neue technologische Möglichkeiten, aber auch neue Hindernisse. Der zusätzliche Spielraum bedeutet gleichzeitig, dass es ungleich schwieriger wird, theoretische Vorhersagen über das Verhalten der Elektronen zu machen. Mit jedem zusätzlichen Quantenteilchen verdoppelt sich im Wesentlichen der rechnerische Aufwand. Auch die leistungsstärksten Computer stossen damit bereits bei ein paar Duzend Teilchen an ihre Grenzen.

Eine Alternative zur theoretischen oder rechnerischen Behandlung eines Quanten-Vielteilchen-Problems ist es, ein Quantensystem zu verwenden, über welches man experimentell gute Kontrolle hat, und damit das Quantensystem, an dem man eigentlich interessiert ist, nachzubilden. Dies ist vergleichbar mit frühen astronomischen Instrumenten, die es ermöglicht haben, mit mechanischen Geräten die Positionen von Himmelskörpern vorherzusagen. Quantenmechanische Simulatoren wurden erstmals 1981 vom amerikanischen Physiker Richard Feynman vorgeschlagen. Vor allem in den vergangenen zehn Jahren wurden bedeutende experimentelle Fortschritte erzielt, die es erlauben, einzelne Quantenteilchen zu isolieren, zu manipulieren und zu messen. Damit ist es heute möglich, erste „Quantengeräte“ aufzubauen.

Die eigenartigen Bewegungsmuster von Quantenteilchen

Die Zürcher Forscher verwenden nun kalte Lithiumatome, welche die Rolle der Elektronen übernehmen. Die Atome werden kontrolliert durch Kanäle geschleust, die durch Laserlicht gebildet werden. „Mit unserer Arbeit erweitern wir das Konzept der Quantensimulation in Richtung Transportphänomene“, erklärt Jean-Philippe Brantut, einer der leitenden Mitarbeiter in diesem Projekt. In ihrem Aufbau können die Physiker eine ganze Reihe von Parametern kontrollieren, von der Geometrie der Kanäle bis hin zu den Wechselwirkungen zwischen den Atomen. Zudem ist das System aus Atomen und Licht absolut fehlerfrei und ermöglicht somit einen direkten Vergleich zwischen Experimenten und theoretischen Modellen – dies ist ein entscheidender Vorteil gegenüber einem Aufbau mit Elektronen und Drähten, wo sich Störstellen nie ganz vermeiden lassen.

Aber auch in solch idealen Systemen können die fliessenden Teilchen auf Widerstand stossen. In einer ersten Arbeit, die in der Fachzeitschrift Science erschienen ist, haben Esslinger und sein Team theoretische Vorhersagen bestätigt, dass ein elektrischer Widerstand allein dadurch entstehen kann, dass die Elektronen durch einen dünnen Leiter fliessen. Dies gilt auch, wenn dieser Leiter absolut fehlerfrei ist. Ein bedeutend seltsameres Verhalten kam jedoch zutage, als die Forscher zu tieferen Temperaturen gingen und die Teilchen miteinander wechselwirken liessen – dies publizierten sie in der neusten Ausgabe von Nature. In diesem Fall begannen die Teilchen ohne jeden Widerstand zu fliessen, selbst wenn ihnen Hindernisse im Weg standen. „Es ist, als ob Sie in der Limmat stehen und das Wasser, welches um Sie herum fliesst, in keinster Weise spüren“, sagt Tilman Esslinger. Das Phänomen des absolut widerstandslosen Flusses ist unter dem Namen Suprafluidität bekannt, und es ist von grossem Interesse hinsichtlich Elektronikbausteine der Zukunft. Bis zu einer neuen Generation von elektronischen Geräten ist noch ein weiter Weg, aber Arbeiten wie die der ETH-Forscher leisten wichtige Beiträge zu einem fundamentalen Verständnis der physikalischen Eigenschaften, auf welche diese Grundelemente aufbauen, und ermöglichen, Theorien und neue Ansätze zu testen.

Externer Link: www.ethz.ch

Medieninformation der Universität Innsbruck vom 13.11.2012

Wärme bereitet in der Mikroelektronik nicht selten Probleme. Ingenieure kühlen Mikrochips und andere Bauteile mit großem technischem Aufwand, um die im Betrieb entstehende Hitze abzuführen. Innsbrucker Physiker stellen nun ein Konzept für einen Laser vor, der nur durch Wärme angetrieben wird. Diese Idee könnte einen völlig neuen Weg zur Kühlung von Mikrochips eröffnen.

Seit der Erfindung vor 50 Jahren hat das Laserlicht unseren Alltag erobert. In allen Lebensbereichen werden heute Laser unterschiedlichster Wellenlänge und Leistung eingesetzt, von der Unterhaltungselektronik über die Telekommunikation bis zur Medizin. Es sind jedoch nicht alle Wellenlängen gleich gut erschlossen. Für den Bereich der fernen Infrarot- und der Terahertz-Strahlung stellen sogenannte Quanten-Kaskadenlaser die technisch bedeutendste Quelle dar. Die Lichtverstärkung in einem solchen Kaskadenlaser wird durch eine wiederholte Abfolge aus präzise konstruierten Halbleiterschichten unterschiedlicher Dotierung erzielt, durch die elektrischer Strom geleitet wird. „Die Elektronen durchlaufen diese Struktur durch eine genau bestimmte Abfolge von Tunnelprozessen und Quantensprüngen und senden dabei kohärente Lichtteilchen aus“, erklärt Helmut Ritsch vom Institut für Theoretische Physik an der Universität Innsbruck das Funktionsprinzip. „Zwischen den einzelnen Schichten stoßen die Elektronen allerdings mit anderen Teilchen und erwärmen auf diese Weise den Laser.“ Quanten-Kaskadenlaser funktionieren deshalb nur, solange sie stark gekühlt werden. Erhitzt sich ein Bauteil zu stark, erlischt das Laserlicht.

Revolutionäre Idee

Auf der Suche nach Möglichkeiten, die Wärmeerzeugung in Lasern zu begrenzen, hat die Doktorandin Kathrin Sandner gemeinsam mit Helmut Ritsch nun eine revolutionäre Idee hervorgebracht: Die Theoretiker wollen Temperaturunterschiede für den Betrieb des Lasers nutzen. In einer vor kurzem in der renommierten Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlichten Arbeit sagen die beiden theoretisch vorher, dass sich der Heizeffekt von Quanten-Kaskadenlaser durch trickreiche Veränderung der Dicke der Halbleiterschichten nicht nur vermeiden, sondern sogar umkehren lässt. „Ein entscheidender Trick dabei ist es, warme und kalte Bereiche im Laser räumlich voneinander zu trennen“, erklärt Kathrin Sandner. „In einem sogenannten Temperaturgradienten-Laser werden die Elektronen im heißen Bereich thermisch angeregt und tunneln dann in den kühleren Bereich, wo Photonen emittiert werden.“ So entsteht ein Kreislauf, in dem Lichtteilchen ausgesandt und gleichzeitig Wärmeenergie aus dem System entzogen wird. „Zwischen den Emissionsschritten wird jeweils ein Gitterschwingungsquant absorbiert und dabei der Laser gekühlt. Entwickelt man diese Idee weiter, sieht man, dass die Präsenz thermischer Quanten, sogenannter Phononen ausreichen kann, die gesamte Energie für die Laserverstärkung bereitzustellen“, so Theoretikerin Sandner. Ein solcher Laser könnte dann ohne elektrischen Strom betrieben werden, solange der Temperaturunterschied aufrechterhalten wird.

„Es ist sicher sehr herausfordernd, diese Idee im Experiment umzusetzen“, sagt Helmut Ritsch. „Wenn es aber gelingen sollte, wäre das eine echte technische Innovation.“ Das Prinzip kann aber auch bereits auf bestehende Quanten-Kaskadenlaser angewendet werden und dort für eine interne Kühlung sorgen. Dieses eingeschränkte Konzept scheint relativ einfach umsetzbar und wird von Experimentalphysikern bereits geprüft.

Elegant und mit technischem Potential

„Neben der konzeptuellen Eleganz dieser Idee, könnte sich hier ein völlig neuer Weg eröffnen, die Abwärme in Mikrochips nutzbringend zu verwenden, anstatt sie mittels aufwändiger Kühlung abführen zu müssen“, zeigt sich Helmut Ritsch über die Arbeit seiner Doktorandin begeistert. Kathrin Sandner hat in Freiburg im Breisgau Physik studiert und forscht seit 2009 am Institut für Theoretische Physik der Universität Innsbruck. „Wenn man in Europa Quantenoptik machen will, dann ist Innsbruck die erste Adresse“, so Sandner über ihre Motivation, in Innsbruck zu arbeiten. Die Forscherin erhielt von der Österreichischen Akademie der Wissenschaften ein DOC-fFORTE-Stipendium und wird von der Universität Innsbruck mit einem Doktoratsstipendium unterstützt. Sandner schließt in Kürze ihr Doktoratsstudium in Innsbruck ab.

Publikation:
Temperature Gradient Driven Lasing and Stimulated Cooling. K. Sandner, H. Ritsch. Phys. Rev. Lett. 109, 193601 (2012) DOI:10.1103/PhysRevLett.109.193601

Externer Link: www.uibk.ac.at

Pressemitteilung der TU München vom 22.10.2012

Röntgen-Technologie verbessert Früherkennung von Lungenerkrankungen:

Schwere Lungenerkrankungen gehören weltweit zu den häufigsten Todesursachen. Bisher sind sie im Frühstadium nur schwer zu diagnostizieren. Mit einer von Münchener Wissenschaftlern im Rahmen einer internationalen Kooperation entwickelten Röntgentechnik ist dies jetzt möglich. Nun arbeiten die Wissenschaftler daran, die Methode praxistauglich zu machen.

Jedes Jahr sterben allein in Deutschland mehr als 100.000 Menschen an schweren Lungenerkrankungen. Vorläufer einer lebensgefährlichen chronisch obstruktiven Lungenerkrankung (chronic obstructive pulmonary disease, COPD) ist in der Regel eine chronische Bronchitis. Eine schwer wiegende Begleiterscheinung sind teilweise zerstörte Lungenbläschen und eine Aufblähung der Lunge (Emphysem). Doch in normalen Röntgenaufnahmen sind die feinen Unterschiede im Gewebe kaum sichtbar.

Zusätzlich zum normalen Röntgenbild analysierten die Münchener Wissenschaftler daher auch die vom Gewebe gestreute Strahlung. Aus diesen Daten errechneten sie dann detaillierte Bilder der Lungen der untersuchten Mäuse. Anhand solcher Bilder kann der Arzt nicht nur sehen ob ein Patient erkrankt ist sondern auch, welche Stellen der Lunge wie stark betroffen sind.

„Gerade die frühen Stadien von Erkrankungen besser erkennen, quantifizieren und lokalisieren zu können wäre sehr hilfreich“, sagt Professor Maximilian Reiser, Leiter des Instituts für Klinische Radiologie der Ludwig-Maximilians-Universität München. „Wir erhoffen uns eines Tages mit der neuen Technik eine verbesserte Diagnose und Therapie von COPD und eine geringere Strahlenbelastung als mit hochaufgelöster Computer-Tomografie“.

Entwickelt wurde die Methode im Rahmen der Forschungsarbeit des Exzellenzclusters Munich-Centre for Advanced Photonics (MAP) von Physikern der Technischen Universität München (TUM) und Medizinern der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) sowie des Comprehensive Pneumology Center (CPC) des Helmholtz Zentrums München.

Für die Versuche nutzten die Wissenschaftler die Compact Light Source der Firma Lyncean Technologies Inc., eine kompakte Synchrotron-Strahlungsquelle. Im Center for Advanced Laser Applications (CALA), einem Gemeinschaftsprojekt der TU München und der LMU München auf dem Forschungscampus Garching, sollen in den nächsten Jahren neue, lasergetriebene Röntgenquellen entwickelt werden.

Parallel dazu arbeitet die Forschungsgruppe um Franz Pfeiffer, Professor für Biomedizinische Physik an der TU München, daran, die Analyse der Streustrahlung so weiter zu entwickeln, dass sie auch mit herkömmlichen Röntgenapparaten eingesetzt werden kann.

Gefördert wurden die Forschungsarbeiten aus Mitteln der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) über den Exzellenzcluster Munich-Centre for Advanced Photonics (MAP), des European Research Council (ERC Starting Grant Nr. 240142), des National Institute of General Medical Sciences (USA, Grant R44-GM074437) und des National Center for Research Resources (USA, Grant R43-RR025730). Weitere Kooperationspartner waren das Helmholtz Zentrum NanoMikro am Karlsruher Institut für Technologie, die Universität Lund (Schweden) und die Lyncean Technologies Inc. (USA).

Originalpublikation:
Emphysema diagnosis using X-ray dark-field imaging at a laser-driven compact synchrotron light source. Simone Schleede, Felix G. Meinel, Martin Bech, Julia Herzen, Klaus Achterhold, Guillaume Potdevin, Andreas Malecki, Silvia Adam-Neumair, Sven F. Thieme, Fabian Bamberg, Konstantin Nikolau, Alexander Bohla, Ali Ö. Yildirim, Rod Loewen, Martin Gifford, Ronald Ruth, Oliver Eickelberg, Maximilian Reiser, and Franz Pfeiffer. Proceedings of the National Academy of Sciences, PNAS, Early Edition, 2012, DOI: 10.1073/pnas.1206684109

Externer Link: www.tu-muenchen.de

Medienmitteilung der Universität Basel vom 11.10.2012

Atome an den Stufen und Ecken von Oberflächen weisen eine erhöhte Reaktivität auf, durch die chemische Prozesse effizient ablaufen. Physikern der Universität Basel ist es zusammen mit finnischen Wissenschaftlern gelungen, die chemischen Kräfte dieser sogenannten Stufenatome mit einer neuartigen rastermikroskopische Sonde zu untersuchen und einzelne Atome zu bewegen, wie sie in den «Physical Review Letters» beschreiben.

Oberflächen und speziell atomare Stufen und Defekte spielen eine wichtige Rolle für die Katalyse, einer chemischen Reaktion, bei der neben den Reaktanten ein dritter Stoff beteiligt ist. Bisher war bekannt, dass perfekte Oberflächen, wie sie zum Beispiel Kristalle aufweisen, schlechte Katalysatoren sind. Erst die Stufen und Defekte auf Oberflächen ergeben die notwendige Effizienz für eine breite Anwendung bei katalytischen Reaktionen.

Herkömmliche analytische Methoden sind aber oft nicht genügend empfindlich, um die wenigen Stufenatome oder Defekte zu untersuchen. Bereits die akkurate Darstellung von Oberflächen ist für viele Methoden eine Herausforderung. Durch die flache Einstrahlung können zwar auch mit Röntgenlicht Oberflächeneffekte mit einer hohen Empfindlichkeit untersucht werden, jedoch ist die Auflösung einzelner atomarer Stufen oder Defekte nicht möglich.

Der Dreh mit der Torsionsschwingung

Forscher der Universität Basel, der Technische Universität Tampere und der Aalto School of Science haben nun in Kombination mit einem theoretischen Modell eine Methode entwickelt, die auf der Rasterkraftmikroskopie basiert und sich speziell für Oberflächenatome eignet. Dazu versetzten sie den Cantilever, der die hochempfindlichen Spitze des Rasterkraftmikroskops trägt, in eine Drehschwingung. Damit lässt sich die energetische Landschaft atomarer Strukturen äusserst genau abbilden; die Forscher konnten damit auch Atome lokalisieren, die man in der Topographie sonst nicht sieht. Zusätzlich können einzelne Stufenatome im Bereich unter einem Pikometer (also weniger als einem Billionstel Meter) kontrolliert bewegt werden. Das ermöglicht den Forschern, Rückschlüsse auf die chemische Reaktivität dieser Stufen zu ziehen.

Mit der nun vorliegenden Erweiterung der Rastermikroskopie auf Torsionsschwingungen lassen sich kleinste Variationen der chemischen Kräfte im Bereich der atomaren Stufen nachweisen und quantitativ bestimmen. Die Methode kann mittels chemisch funktionalisierter Spitzen erweitert werden, sodass auch die chemische Reaktivität direkt nachgewiesen werden kann.

Originalbeitrag:
Shigeki Kawai, Filippo Federici Canova, Thilo Glatzel, Teemu Hynninen, Ernst Meyer, and Adam S. Foster
Measuring Electric Field Induced Subpicometer Displacement of Step Edge Ions
Phys. Rev. Lett. 109, 146101 (2012) | doi: 10.1103/PhysRevLett.109.146101

Externer Link: www.unibas.ch