Pressemeldung der Universität Wien vom 06.08.2012

In Rahmen einer internationalen Kooperation sind PhysikerInnen der Universität Wien robusteren Quantentechnologien einen weiteren Schritt näher gekommen: Sie haben gezeigt, dass für essenzielle Operationen in der Quanten- informationsverarbeitung weniger empfindliche Ressourcen verwendet werden können. „Die von uns gezeigten Quanteneffekte können zur Entwicklung verbesserter Informations- oder Computersysteme beitragen“, so der Quantenphysiker der Universität Wien Philip Walther. In einem in „Nature Physics“ publizierten Experiment demonstrieren die WissenschafterInnen, dass die für zukunftsträchtige Quantentechnologien wesentliche Fern-Herstellung von Quantenzuständen auch ohne Verschränkung möglich ist.

Eine wesentliche Eigenschaft in der Quantenphysik ist, dass zwei oder mehrere Quantenteilchen stärker als klassisch möglich miteinander verbunden, d.h. korreliert, sein können – wie im Falle von Verschränkung. Bereits Erwin Schrödinger – einer der Gründer der heutigen Quantentheorie und österreichischer Nobelpreisträger – hat erkannt, dass die Beeinflussung eines Teilchens durch eine Messung von außen auch den Zustand des mit ihm verschränkten Teilchens verändert. Dabei ist es irrelevant, wie weit die beiden verschränkten Teilchen voneinander entfernt sind. Dies ermöglicht die gezielte Fern-Herstellung von Quantenzuständen und dient einer Reihe von Anwendungen wie der Quantenkommunikation, Quantenkryptographie und der Quantencomputer.

Quanten-Discord als Ressource

Üblicherweise wird der Grad der Verschränkung zweier Teilchen gleich gesetzt mit der unmittelbaren Nützlichkeit für quantentechnologische Anwendungen. Stark verschränkte Systeme reagieren sehr sensibel auf äußere Einflüsse und sind schwer herzustellen. Forschungsteams um die Quantenphysiker der Universität Wien Caslav Brukner und Philip Walther haben gezeigt, dass für eine erfolgreiche Fern-Herstellung eines Quantenzustandes nicht Verschränkung, sondern eine andere robustere Korreliertheit, der so genannte Quanten-Discord, als Ressource ausreicht. Dieses noch weitgehend unverstandene Maß gibt an, wie stark ein System gestört wird, wenn ein Beobachter seine Eigenschaften misst.

Fern-Herstellung von Quantenzuständen

Mit Hilfe von quantenmechanisch präparierten Photonenpaaren haben die ForscherInnen die Fern-Herstellung von Quantenzuständen untersucht. „Durch die Messung des Polarisationszustandes eines Photons können wir den Zustand des dazugehörigen Partnerphotons fern-herstellen“, erklärt Philip Walther. „Im Experiment haben wir beobachtet, wie sich das Variieren des Quanten-Discords auf die Qualität unseres fern-hergestellten Zustands auswirkt.“ Dabei konnte das Forschungsteam demonstrieren, dass die Fern-Herstellung von Quantenzuständen sogar ohne Verschränkung möglich ist, sofern im System Quanten-Discord vorliegt. Diese Erkenntnis ist für die Entwicklung von zukünftigen Quantentechnologien vielversprechend: In Zukunft könnten nicht verschränkte robustere Quantensysteme als Ressource herangezogen werden, was den Zugang zur Quantentechnik erheblich erleichtern würde.

Das Projekt ist eine Kollaboration von ForscherInnen der Fakultät für Physik der Universität Wien, des Vienna Center for Quantum Science and Technology (VCQ), des Instituts für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften, des Centre for Quantum Technologies of the National University of Singapore und der University of Oxford.

Publikation:
„Quantum discord as resource for remote state preparation“: Borivoje Dakic, Yannick-Ole Lipp, Xiaosong Ma, Martin Ringbauer, Sebastian Kropatschek, Stefanie Barz, Tomasz Paterek, Vlatko Vedral, Anton Zeilinger, Caslav Brukner, Philip Walther
(Nature Physics 2012)
DOI: 10.1038/NPHYS2377

Externer Link: www.univie.ac.at

Pressemitteilung der Universität Stuttgart vom 23.07.2012

Keramische Implantate für Jedermann

Wenn Politiker, wie zuletzt Gesundheitsminister Daniel Bahr, laut darüber nachdenken, den Einsatz künstlicher Hüft- oder Kniegelenke aus Kosten-/Nutzenabwägungen für bestimmte Bevölkerungsgruppen künftig zu begrenzen, folgt das Dementi meist auf dem Fuß. Dennoch ist es von großer gesellschaftlicher Bedeutung, die Kosten für dauerhafte Implantate wie etwa Gelenkprothesen/Endoprothesen zu senken, wenn die Versorgung in Deutschland gesichert und Endoprothesen auch in Entwicklungs- und Schwellenländern erschwinglich werden sollen. Wissenschaftler des Instituts für Fertigungstechnologie keramischer Bauteile (IFKB) der Universität Stuttgart arbeiten an einer neuen Technologie auf Basis des keramischen Spritzgießens, mit der die Herstellkosten solcher Implantate deutlich gesenkt werden können.

Herkömmlich werden bei Hüft- und Knieoperationen routinemäßig Implantate aus Spezialstahl und einem Kunststoffgegenkörper aus Niederdruck-Polyethylen (NDPE) eingesetzt. Diese sind zwar vergleichsweise kostengünstig, ihre Gebrauchsdauer ist jedoch je nach Belastung auf zehn bis 15 Jahre begrenzt. Deutlich langlebiger sind keramische Implantate, deren überlegene Werkstoffeigenschaften eine Reduktion des Verschleißes und eine bessere Biokompatibilität (Verträglichkeit) gewährleisten, wodurch Entzündungen im Gewebe vermindert und die Implantatlockerung verlangsamt werden. Zudem wachsen sie schneller ein und die Patienten kommen nach einer Operation rasch wieder auf die Beine. Ihr Nachteil: Die Herstellung und Endbearbeitung der spiegelglatt geschliffenen, harten und zähen Keramik erfordert eine Vielzahl an Arbeitsschritten und ist dementsprechend teuer. Dieser Problematik hat sich Mohammed Abou El-Ezz am Institut für Fertigungstechnologie keramischer Bauteile (IFKB) im Rahmen seiner Doktorarbeit in der Graduate School of Excellence for advanced Manufacturing Engineering Stuttgart (GSaME) angenommen. Der 26-jährige Absolvent der German University of Cairo (GUC) versucht, durch einen deutlich preiswerteren Fertigungsweg Keramikimplantate einem größeren und weniger vermögenden Patientenkreis zugänglich zu machen. Die Arbeit wird durch die Hans-Böckler-Stiftung finanziert und durch Institutsleiter Prof. Rainer Gadow sowie den Leiter der Abteilung Hochleistungskeramiken, Dr. Frank Kern, betreut.

Grundlegend neuer Ansatz

Um die erforderlichen hohen Qualitäten implantatkeramischer Produkte mit den Kostenzielen für einen breiteren Markt in Einklang zu bringen, wählen die Wissenschaftler einen grundlegend neuen Ansatz entlang der gesamten Prozesskette von der Rohstoffkonditionierung über das Formgebungsverfahren bis zur Endbearbeitung. Ihr Ziel ist es, durch die Anwendung des keramischen Spritzgießens (CIM) Implantate in einer Geometrie herzustellen, die der Endkontur schon sehr nahe kommt. Dieses in der Fachsprache als „Net-shape-Formgebung“ bezeichnete Konzept in Verbindung mit dem CIM-Verfahren macht es möglich, die Taktzeit sowie die kostspielige Nacharbeit erheblich zu reduzieren. Allerdings erfordert das Verfahren einen höheren Anteil an Bindemittel und Hilfsstoffen, wodurch sich die Wärmebehandlung und die chemische Technik komplizierter gestalten. Im Rahmen des Projektes wurden zunächst hochfeste und zähe Mischoxidkeramiken entwickelt, die für die Spritzgießtechnik geeignet sind: Aluminiumoxid-Zirkonoxid-Nanokomposite (ZTA: zirconia toughened alumina). Hinter der Abkürzung verbergen sich keramische Hochleistungswerkstoffe für biomedizinische Anwendungen, die eine hohe Festigkeit, Biokompatibilität und Härte besitzen. Dadurch sind sie metallischen Werkstoffen in orthopädischen Anwendungen überlegen. Die üblichen Nachteile der Keramiken, insbesondere die Sprödbruchanfälligkeit, können durch Verstärkungsmechanismen auf der mikroskopischen Ebene des Werkstoffgefüges vermieden werden, welche zu einer Steigerung der Bruchzähigkeit, Härte und Dauerfestigkeit führen. Auf der Basis detaillierter Analysen der Bauteilgefüge und der Versagenskriterien sollen die Prozesse und Materialien schließlich so optimiert werden, dass man preiswerte Implantate von hoher Zuverlässigkeit in großen Stückzahlen herstellen kann.

Erste Versuche sind vielversprechend

Bereits im Frühjahr wurden am IFKB erste spritzgegossene Hüftgelenksimplantate aus ZTA-Verbundkeramik hergestellt, wobei eine Spritzgußform zum Einsatz kam, die das deutsch-ägyptische Unternehmen HBW Gubesch Egypt in Kairo im Rahmen eines Technologietransferprojektes konstruiert und gefertigt hat. „Die Ergebnisse sind vielversprechend und lassen hoffen, dass diese neue Prozessroute für keramische Implantate dazu beitragen kann, die unmittelbaren Herstellkosten dieser Produkte um bis zu 30 Prozent zu senken“, freuen sich Mohammed Abou El-Ezz und sein Doktorvater Prof. Gadow. „Wir gehen davon aus, dass sich dadurch der Kreis der Patientengruppen, die von dieser modernen Werkstofftechnologie in der Medizintechnik profitieren, in der Zukunft erheblich erweitert.“ Durch die Erhöhung der Lebensdauer der Prothesen steigt nicht nur die Lebensqualität der einzelnen Betroffenen. Auch die Gesundheitskosten werden real gesenkt, da weniger Ersatzoperationen und Nachsorgemaßnahmen notwendig werden. Bei einer demografischen Entwicklung mit einer steigenden Anzahl alter Menschen ist dies von erheblichem gesellschaftlichem Interesse, was die Bedeutung von Forschung und Entwicklung vom Werkstoff bis zur industriellen Fertigungstechnik nicht nur für den Standort Baden-Württemberg unterstreicht.

Externer Link: www.uni-stuttgart.de

Pressemitteilung der Universität Regensburg vom 20.07.2012

Physiker entwickeln neuartigen Spin-Transistor

Die Nachfrage nach Technologien, die immer schnellere Rechenprozesse ermöglichen oder die Speicherung immer größerer Datenmengen erlauben, ist riesig. Jedoch gerät die konventionelle Elektronik allmählich an ihre Grenzen: Schnellere Transistoren führen zu extrem hohem Energieverbrauch und enormer Hitzeproduktion. Forscher auf der ganzen Welt sind deshalb auf der Suche nach neuen Methoden, die die Elektronik revolutionieren könnten. Große Hoffnungen ruhen auf der Spinelektronik – der Nutzung der Spineigenschaften von Elektronen. Um diese aber für die Datenverarbeitung oder Datensicherung zu nutzen, muss man den Spin gezielt kontrollieren oder manipulieren können.

Einem Forscherteam der Universität Regensburg um Prof. Dr. Dieter Weiss vom Institut für Experimentelle und Angewandte Physik und Prof. Dr. Klaus Richter vom Institut für Theoretische Physik ist nun, zusammen mit Kollegen der Polnischen Akademie der Wissenschaft in Warschau, ein wichtiger Schritt gelungen. Sie haben ein neuartiges Spin-Transistorprinzip entwickelt, das es erlaubt, die Spin-Polarisation des elektrischen Stroms „an“ und „aus“ zu schalten.

In konventionellen Transistoren wird der Stromfluss durch ein elektrisches Feld gesteuert bzw. an- oder abgeschaltet. Dem gegenüber steuerten die Regensburger Forscher in ihrem transistorähnlichen Bauelement – bestehend aus einer Halbleiter-Schichtstruktur mit aufgeprägten ferromagnetischen Streifen – den Stromfluss dadurch, dass sie die Spineigenschaften der Elektronen manipulierten. Der Elektronenspin kann gewissermaßen als Pirouette des Elementarteilchens um die eigene Achse verstanden werden, welches mit einem magnetischen Moment verknüpft ist. Damit weist das Elektron magnetische Eigenschaften ähnlich einer winzigen Kompassnadel auf. Allerdings orientiert sich diese quantenmechanische Version einer Kompassnadel entweder parallel (spin-up) oder anti-parallel (spin-down) zu einem extern angelegten Magnetfeld.

Die Regensburger Physiker können mit ihrem neuen Verfahren nicht nur den elektrischen Stromfluss in ihrem transistorähnlichen Bauelement steuern, sondern auch die Spin-Polarisation des Elektronenflusses – also das Verhältnis zwischen „spin-up-Elektronen“ und „spin-down-Elektronen“ – kontrollieren und verändern. Dafür nutzten die Wissenschaftler ein extern angelegtes Magnetfeld. Im „An-Modus“ bewegen sich die Elektronen ungehindert in der Struktur, während ihre Spinausrichtung einem sich räumlich verändernden magnetischen Streufeld folgt, das von den ferromagnetischen Streifen ausgeht. Im „Aus-Modus“ wird das Magnetfeld so eingestellt, dass die Spins nicht mehr dem rotierenden Streufeld folgen können und auf eine energetisch verbotene Bahn mit entgegen gesetztem Spin „ausweichen“ müssen – der Strom wird reduziert.

Der zugrundeliegende quantenmechanische Effekt lässt sich am Beispiel eines Autos verdeutlichen, das sich um eine scharfe Kurve herum bewegt. Sofern der Wagen langsam genug fährt, bleibt er auf der Straße und kann so die Kurve nehmen („An-Modus“). Wenn der Wagen zu schnell ist, dreht er sich und kann die Fahrt auf der Straße nicht fortsetzen („Aus-Modus“).

Die Untersuchungen der Regensburger Forscher sind heute in der renommierten Fachzeitschrift „Science“ erschienen (DOI: 10.1126/science.1221350). (Alexander Schlaak)

Externer Link: www.uni-regensburg.de

Pressemitteilung der Universität des Saarlandes vom 22.06.2012

Was in einer Dichtung passiert, wenn sie zu tropfen beginnt, haben Wissenschaftler vom Forschungszentrum Jülich und der Universität des Saarlandes genauer untersucht. Ihre Simulationen auf Jülicher Superrechnern haben Überraschendes gezeigt. Die untersuchten Gummiringe und anderen Dichtungen schließen nämlich oft dichter ab, als man bisher durch theoretische Berechnungen vorhergesagt hat. Sobald ihre Oberfläche zu mehr als 42 Prozent an dem Anschlussstück anliegt, tritt keine Flüssigkeit mehr aus. Bislang war man von höheren Werten ausgegangen. Ihre Ergebnisse haben die Wissenschaftler in der aktuellen Ausgabe der internationalen Fachzeitschrift „Physical Review Letters“ veröffentlicht.

Dichtungen erfüllen eine wichtige Funktion in allen möglichen Geräten, vom Raumschiff bis zum Wasserhahn. Die geläufigste Form besteht aus einem Gummiring und zwei festen Anschlussteilen. „Wie gut Flüssigkeiten zurückgehalten werden, hängt in erster Linie davon ab, wie eng die Dichtung anliegt. Da alle Oberflächen auf mikroskopischer Ebene uneben und rau sind, liegen Dichtungsring und Anschlussstück nie völlig lückenlos aufeinander“, erklärt Martin Müser, Professor für Materialsimulation der Universität des Saarlandes und Leiter einer Forschergruppe am Forschungszentrums Jülich. In die kleinen Poren und Kanäle an der Kontaktstelle dringe Flüssigkeit ein, die über kleine Wege auch nach außen gelangen könne. Diese Tropfen könne man nur verhindern, indem man die Dichtung fester anziehe. „Das elastische Gummi wird dann in die mikroskopischen Unebenheiten gepresst. Dadurch vergrößert man die Kontaktfläche und verschließt damit weitere Lücken, so dass weniger Flüssigkeit entweichen kann“, erläutert Müser, der gemeinsam mit Bo N. J. Persson am Forschungszentrum Jülich die Vorgänge in den Dichtungen simuliert hat.

Die Wissenschaftler wollten besser verstehen, was genau passiert, wenn eine Dichtung leckt. Theoretische Modelle konnten die Zusammenhänge bisher nur unzureichend beschreiben. Ältere Modelle vernachlässigten die Elastizität des Dichtungsmaterials, anders als die aktuelle Theorie von Bo N. J. Persson, dem Mitautor der neuen Studie. Seine Theorie enthielt allerdings einige nicht bestätigte Annahmen. „Die Vorhersagen waren besser, als sie sein sollten. Mit den Simulationen wollten wir die Vorgänge auf mikroskopischer Ebene besser verstehen, als es experimentell möglich ist“, begründet Martin Müser.

Das Ergebnis war für auch für die Wissenschaftler überraschend. „Nur 42 Prozent der Oberflächen von Dichtung und Anschlussstück müssen sich direkt berühren, um die Verbindung undurchlässig abzuschließen. Bisherige Theorien waren aus Symmetriegründen von 50 Prozent ausgegangen.“, sagt der Materialforscher.

In ihren Computersimulationen konnten die Wissenschaftler die Kontaktfläche präziser ermitteln, weil sie auch die Elastizität des Dichtungsmaterials einbezogen. Dabei zeigte sich, dass mikroskopisch kleine Erhöhungen der Oberfläche, die in das weiche Gummi gepresst werden, die Dichtung nicht vollständig berühren. Dadurch entstehen weitere kleine Lücken. „Das Ergebnis könnte dazu beitragen, die Durchlässigkeit von alternden Dichtungen besser einzuschätzen“, hofft Martin Müser. Die Jülicher Forschungsgruppe arbeitet bereits mit einem Unternehmen aus der Medizintechnik zusammen, um die Leckrate von Gummistopfen für Spritzen zu berechnen.

Originalveröffentlichung:
Wolf B. Dapp, Andreas Lücke, Bo N. J. Persson, Martin H. Müser
Self-affine elastic contacts: percolation and leakage, Phys. Rev. Lett. 108, 244301 (2012), DOI: 10.1103/Physics.5.66

Externer Link: www.uni-saarland.de

Pressemitteilung der TU München vom 08.06.2012

3-D-Aufnahmen von Körpergewebe:

Wissenschaftler haben eine neue Röntgentechnik entwickelt, die den Kontrast von Computertomographen (CT) drastisch verbessert und zugleich die während der Aufnahme freigesetzte Strahlendosis reduziert (Proceedings of the National Academy of Sciences). Die Methode basiert auf einer neuartigen Kombination der Gitter-Interferometrie, die sich durch hohen Kontrast auszeichnet, mit der Computertomographie, die dreidimensionale Röntgenaufnahmen erzeugt. Die Technik kann auch im Krankenhaus eingesetzt werden, wo sich Röntgen-Quelle und Detektor während eines Scans kontinuierlich um den Patienten drehen müssen.

Bei einer klassischen Röntgenaufnahme wird die Intensität eines Röntgenstrahls hinter dem Untersuchungsobjekt aufgezeichnet. Die Bildgebung beruht dabei auf Variationen in der Absorption der Röntgenstrahlung in den verschiedenen Bestandteilen des untersuchten Körpergewebes. Im medizinischen Bereich ist dieses Verfahren oft nur eingeschränkt verwendbar, zum Beispiel wenn Krebszellen nur wenig Kontrast zu gesundem Gewebe zeigen.

Neue Röntgentechniken setzen an diesem Problem an: Sie verlassen sich nicht ausschließlich auf die Absorption, sondern verbessern den Kontrast durch die Beobachtung anderer Wechselwirkungen der Röntgenstrahlung mit Materie. Die sogenannte Gitter-Interferometrie setzt zum Beispiel Mikrostrukturen als optische Gitter für Röntgenstrahlen ein. In Kombination mit einem Röntgentomographen können mit diesem vielversprechenden Verfahren virtuelle Schnittbilder und damit dreidimensionale Darstellungen eines Objekts erzeugt werden.

Einem Wissenschaftlerteam um Irene Zanette von der Technischen Universität München und der European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Grenoble ist nun mit der Entwicklung des sogenannten Schiebefenster-Verfahrens ein wichtiger Schritt in Richtung klinische Anwendung geglückt. „Wir wollten die Lücke zwischen dem außerordentlichen Potenzial dieser Technik und ihrer klinischen Anwendung schließen“, erklärt Timm Weitkamp, Co-Autor der Studie vom Synchrotron SOLEIL. „Das Schiebefenster-Verfahren verkürzt die Messzeit und reduziert daher die Dosis. Es ermöglicht zugleich, Röntgenquelle und Detektor, wie in klinischen Tomographen notwendig, kontinuierlich um den Patienten zu drehen, anstatt, wie bisher in der Gitter-Interferometrie erforderlich, die Drehung bei jeder Einzelaufnahme zu unterbrechen“, so Weitkamp.

Die außergewöhnliche Auflösung der neuen Technik demonstrierten die Wissenschaftler mit Aufnahmen der Weichteile einer Ratte, in denen auch kleinste Details wiedergegeben werden wie z.B. einzelne Hodenkanälchen, winzige Röhren, in denen Spermien gebildet werden. „Diese Strukturen sind in normalen Tomographieaufnahmen schlichtweg unsichtbar, selbst wenn in hoher Auflösung gemessen wird, nicht nur wegen ihrer geringen Größe, sondern vor allem wegen mangelnden Kontrasts,“ fügt Irene Zanette hinzu, der von der ESRF für ihre Arbeiten kürzlich der Jahrespreis für junge Wissenschaftler verliehen wurde.

Die Gitter-Interferometrie erlaubt neben der Phasenkontrast auch die Dunkelfeldtechnik anzuwenden. Diese zeigt winzige Strukturen im Objekt auf, die kleiner als ein einzelnes Pixel sind, zum Beispiel Fasern, Risse oder Poren. Die Veröffentlichung in PNAS illustriert diese Fähigkeit mit der Röntgenaufnahme einer in Bernstein eingeschlossenen Wespe, deren Flügel in voller Länge sichtbar sind. Frühere Röntgenaufnahmen dieses Fossils hatten dieses Detail nicht abbilden können. Dieses Ergebnis regt den Einsatz der Dunkelfeld-Tomographie in Paläontologie und Materialforschung sowie im medizinischen Bereich an, wo z.B. winzige Risse in Knochen oder kleinste Fasern im Körpergewebe sichtbar gemacht werden können.

Die Wissenschaftler sehen deshalb für die neue Bildgebungstechnik vielfältige Potenziale: In der Biologie, den Materialwissenschaften und der Paläontologie könnte die Technik zum Einsatz kommen, ebenso möglicherweise in einer neuen Generation Computertomographen im Krankenhaus.

Publikation:
I. Zanette, M. Bech, A. Rack, G. Le Duc, P. Tafforeau, C. David, J. Mohr, F. Pfeiffer and T. Weitkamp, Trimodal low-dose X-ray tomography, Proc. Natl. Acad. Sci. USA (2012), 4-8 June 2012; doi: 10.1073/pnas.1117861109

Externer Link: www.tu-muenchen.de