Presseinformation der Universität Innsbruck vom 22.05.2012

Erstes Bose-Einstein-Kondensat von Erbium in Innsbruck erzeugt

Das exotische Element Erbium wurde von einem Team um Francesca Ferlaino an der Universität Innsbruck erstmals erfolgreich kondensiert. Damit haben die Innsbrucker Experimentalphysiker als weltweit einzige die ersten Bose-Einstein-Kondensate von gleich drei chemischen Elementen – Cäsium, Strontium und Erbium – erzeugt.

Ultrakalte Quantengase haben außergewöhnliche Eigenschaften und ermöglichen das Studium von grundlegenden Fragen der Physik. Mit Erbium haben die Forscher um Francesca Ferlaino vom Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck für ihr Experiment ein sehr exotisches Element ausgewählt, das dank seiner besonderen Eigenschaften neue und faszinierende Möglichkeiten zur Untersuchung fundamentaler Probleme der Quantenphysik erlaubt. „Erbium ist vergleichsweise schwer und besitzt einen stark magnetischen Charakter. Diese Eigenschaften führen zu einem extremen dipolaren Verhalten der Quantensysteme“, sagt Ferlaino. Sie hat mit ihrem Team einen überraschend einfachen Weg gefunden, dieses komplexe Element mit Hilfe von Laserkühlung und Verdampfungskühlung extrem stark abzukühlen. Bei Temperaturen unmittelbar über dem absoluten Nullpunkt verwandelt sich die Wolke aus rund 70.000 Atomen in ein magnetisches Bose-Einstein-Kondensat. Die Teilchen verlieren dabei ihre individuellen Eigenschaften und schwingen alle im gleichen Takt. „Experimente mit Erbium ermöglichen uns neue Einblicke in die komplexen Wechselwirkungseigenschaften stark korrelierter Systeme und bieten vor allem auch neue Ansatzpunkte für die Untersuchung des Quantenmagnetismus mit kalten Atomen“, sagt die junge Wissenschaftlerin. Sie wurde 2009 mit dem österreichischen START-Preis ausgezeichnet und erhielt 2010 einen ERC Starting Grant des Europäischen Forschungsrats. „Wir haben mit dem Bose-Einstein-Kondensat nur knapp ein Jahr nach dem Start dieses Projektes eines der wichtigsten Ziele bereits erreicht“, zeigt sich Francesca Ferlaino stolz. „Dies zeigt, wie wichtig diese Förderprogramme für junge Forscherinnen und Forscher sind und wie wesentlich die Unterstützung durch die Universität Innsbruck und das Institut für Experimentalphysik für mich und mein Team waren.“ Als Gratulant stellte sich auch Nobelpreisträger Eric Cornell mit den Worten ein: „Lovely new baby. Its parents must be very proud!“

Quanten-Hauptstadt Innsbruck um ein Superlativ reicher

Cäsium, Strontium und Erbium sind die drei chemischen Elemente, die Innsbrucks Physik in den vergangenen Jahre erfolgreich kondensiert hat. Ein wichtiger Durchbruch gelang Rudolf Grimm und seinem Team 2002 mit der ersten Kondensation von Cäsium, die in den folgenden Jahren zahlreiche wissenschaftliche Früchte trug. START-Preisträger Florian Schreck aus der Gruppe um Rudolf Grimm konnte 2009 das Element Strontium erstmals kondensieren. Und nun gelang dieses Kunststück auch Francesca Ferlaino mit dem Element Erbium. Weltweit wurden bisher insgesamt 13 Elemente kondensiert. Zehn Kondensate entstanden dabei in jeweils anderen Forschungsgruppen auf der ganzen Welt. 2001 erhielten Eric Cornell, Wolfgang Ketterle und Carl Wieman für die Erzeugung der weltweit ersten Bose-Einstein-Kondensate den Physik-Nobelpreis. Das nun in Innsbruck erstmals realisierte Kondensat von Erbium eignet sich hervorragend, um in Zukunft zum Beispiel geophysikalische Phänomene wie Wirbelwinde oder die Dynamik von komplexen Proteinen in der Biophysik in Detail zu untersuchen.

Publikation:
Bose-Einstein Condensation of Erbium. K. Aikawa, A. Frisch, M. Mark, S. Baier, A. Rietzler, R. Grimm, F. Ferlaino. Phys. Rev. Lett. 108, 210401 (2012)
DOI: 10.1103/PhysRevLett.108.210401

Externer Link: www.uibk.ac.at

Presseinformation der Universität Göttingen vom 16.05.2012

Göttinger Biophysiker lösen Struktur bei der Membranfusion mit Röntgenstrahlen auf

(pug) Membrane bestehen im Wesentlichen aus einer Lipiddoppelschicht und Membranproteinen und verhindern die unkontrollierte Durchmischung von Stoffwechselprodukten und Ionen. Bei einer Vielzahl von biologischen Prozessen – wie beispielsweise bei der Nervenreizleitung, der Befruchtung oder der Ausscheidung von Stoffwechselprodukten aus der Zelle – ist jedoch eine kontrollierte Verschmelzung von Membranen erforderlich, die sogenannte Membranfusion. Wie diese Fusion auf molekularer Ebene abläuft ist in der Biophysik nach wie vor unbekannt. Zwar konnten bereits etliche Membranproteine identifiziert werden, welche die Fusion regulieren, und auch die molekulare Struktur der Proteine konnte weitgehend aufgeklärt werden. Die eigentliche Strukturänderung der Lipiddoppelschicht lässt sich jedoch nicht auflösen. Biophysiker um Dr. Sebastian Aeffner und Prof. Dr. Tim Salditt von der Fakultät für Physik der Universität Göttingen haben sich nun eines Tricks bedient, um die dreidimensionale Struktur bei der Verschmelzung von Membranen mit der Röntgenbeugung aufzuklären. Die Ergebnisse sind in der Zeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences Plus erschienen.

Die Göttinger Wissenschaftler brachten Lipidmembrane durch den Entzug von Wasser so eng in Kontakt, bis die Anordnung der Lipiddoppelschicht instabil wurde und sich Verbindungen zwischen benachbarten Membranen bildeten. Die Lipidmembrane fusionieren also nicht vollständig, weisen aber die für die Fusion typischen strukturellen Zwischenstufen auf. „Wenn man nun Stapel aus Hunderten bis Tausenden von Lipidmembranen verwendet, ordnen sich diese Verbindungen zwischen benachbarten Membranen periodisch im Raum an, obwohl sich Lipidmoleküle weiterhin wie in einer Flüssigkeit mischen. Dieser künstliche, durch osmotischen Druck stabilisierte fluide Kristall kann dann mit hochbrillanter Röntgenstrahlung untersucht werden“, erklärt Dr. Aeffner.

Die Ergebnisse dieser Messung sind überraschend: Die Struktur der Membranverschmelzung war bei allen untersuchten Lipidsystemen äußerst ähnlich, und die Verschmelzung fand immer bei dem gleichem kritischen Abstand statt. Große Unterschiede ergaben sich allerdings in der Arbeit, die geleistet werden muss, um die Membrane auf diesen Abstand zusammen zu bringen, und in der Energie, die für die Krümmung der Membrane aufgewendet werden muss. Durch Vergleich der unterschiedlichen Lipidzusammensetzung lässt sich nun verstehen, welche Lipide sich zum Beispiel durch das Einwirken von Proteinen verschmelzen lassen und bei welchen Lipiden die benötigte Energie kaum noch unter physiologischen Bedingungen in den biologischen Zellen aufgebracht werden kann. Dieses Wissen könnte helfen, Verschmelzungsprozesse von Membranen zu kontrollieren, die bei der Verabreichung von Arzneistoffen eine Rolle spielen.

Originalveröffentlichung:
Sebastian Aeffner et al. Energetics of stalk intermediates in membrane fusion are controlled by lipid composition. Proceedings of the National Academy of Sciences Plus (PNAS) 2012. DOI:10.1073/pnas.1119442109

Externer Link: www.uni-goettingen.de

Presseinformation der LMU München vom 11.05.2012

Gammastrahlen lassen tief blicken

Und sie beugen sich doch: Entgegen einer jahrzehntealten Grundannahme der Physik können Gammastrahlen mit Linsen auf ein Ziel fokussiert werden. Die Entdeckung könnte zahlreiche Anwendungen ermöglichen – vom  Monitoring von Atommüll bis zur Krebstherapie.

Gammastrahlen sind extrem energiereiche elektromagnetische Wellen weit oberhalb des sichtbaren Spektrums von Licht. Physiker gingen bisher davon aus, dass diese Strahlung nicht mit Linsen  abgelenkt und daher nicht für optische Zwecke genutzt werden kann. Im Vergleich dazu wurde für Röntgenstrahlung Mitte der 1990er Jahre gezeigt, dass eine „Röntgenoptik“ möglich ist.

Wissenschaftler um den Physiker Professor Dieter Habs von der LMU und dem Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching konnten bei Experimenten am Institut Laue-Langevin (ILL) in Grenoble nun aber überraschend zeigen, dass  sich Gammastrahlen durch Silizium-Linsen wie herkömmliches Licht fokussieren lassen. Möglich wird dies durch das extrem starke elektrische Feld der Silizium-Atome, das mit den Gammastrahlen wechselwirken kann.

Mehr Ablenkung durch goldene Linsen

„Unsere Entdeckung eröffnet der Optik ganz neue Dimensionen“, sagt Habs. „Wir haben quasi eine Brille gefunden, mit der Gammastrahlung für vielfältige Anwendungen einsetzbar wird“. Gamma-Detektoren für besonders präzise Materialuntersuchungen sind hier nur ein Beispiel: „Gammastrahlen haben zehn bis tausend Mal mehr Energie als Röntgenstrahlen und durchdringen auch dicke Materialien. Sogar aus größeren Entfernungen könnte jedes Atom einzeln angesprochen werden – wichtig etwa für den Nachweis von radioaktivem Material“, betont der Kernphysiker.

Auch in der Medizin sieht Habs ein künftiges Anwendungsgebiet: So könnte etwa  in der Krebstherapie der Verbleib von Chemotherapeutika im Körper genau beobachtet und die Dosierung besser angepasst werden. Bisher ist die Ablenkung der Gammastrahlen durch die Linsen noch relativ gering. Deshalb will Habs mit seinem Team in Zukunft Goldlinsen einsetzen. Die Wissenschaftler erwarten hier eine stärkere Beugung der Strahlen, weil  Goldatome ein stärkeres elektrisches Feld als Silizium erzeugen. Erste Versuche wird Habs‘ Team im Sommer durchführen. (göd)

Veröffentlichung:
Physical Review Letters, 1.5.2012

Externer Link: www.uni-muenchen.de

Presseaussendung der TU Wien vom 09.05.2012

Auf Materialien mit bemerkenswerten Eigenschaften stieß man bei Computersimulationen an der TU Wien. Spezielle Kristalle könnten neuartige optische Anwendungen ermöglichen.

Welche Eigenschaften ein Material hat, lässt sich heute am Computer berechnen, noch bevor es überhaupt physisch hergestellt wird. An der TU Wien wurde bei solchen Computersimulationen nun eine neue Klasse von exotischen Materialien gefunden. Sie sind magnetisch, leiten aber keinen elektrischen Strom. Interessant sind solche Materialien auch deshalb, weil ihre elektronische Struktur von außen durch ein Magnetfeld manipuliert werden kann – so könnte man möglicherweise Linsen bauen, deren Brechungsindex durch ein Magnetfeld stufenlos steuerbar ist.

Die Elektronen bestimmen das magnetische Verhalten

Magnetismus wird vom Verhalten der Elektronen im Material bestimmt. Jedes Elektron hat eine magnetische Richtung – den Elektronenspin. „In einem Permanentmagneten beeinflussen sich diese Spins gegenseitig so, dass sie alle in dieselbe Richtung zeigen – so entsteht ein starkes makroskopisches Magnetfeld“, erklärt Professor Peter Mohn vom Institut für Angewandte Physik der TU Wien.

Ob sich die Elektronenspins allerdings frei im Material ausrichten können, hängt von der Art der Atombindungen ab. Wenn zwei benachbarte Atome eine Bindung eingehen und sich zwei Elektronen teilen, zeigen diese beiden Elektronenspins normalerweise in genau entgegengesetzte Richtungen – zum Magnetismus können sie dann nicht beitragen. Gibt es hingegen in einem Material viele ungepaarte Elektronen, kann es ein starkes magnetisches Moment aufweisen.

Gemeinsam mit Peter Mohn berechneten seine Doktoranden Christoph Gruber und Pedro Osvaldo Bedolla-Velazquez Materialeigenschaften in aufwändigen Computersimulationen. Die Arbeit fand im Rahmen des Spezialforschungsbereichs „Vienna Computational Materials Laboratory“ (ViCoM) statt.

Tauschen und Teilen

„Wir untersuchten Bariumtitanat, ein Material, in dem alle Bindungen abgesättigt sind – alle Elektronen kommen in Paarbindungen vor“, sagt Peter Mohn. „Es ist daher nicht magnetisch.“ Bariumtitanat ist ein würfelförmiges Gitter aus Barium-, Titan- und Sauerstoffatomen. Das Forschungsteam berechnete, wie sich Materialeigenschaften ändern, wenn man manche der Sauerstoffatome durch Kohlenstoff ersetzt. Kohlenstoff hat zwei Elektronen weniger als Sauerstoff, deshalb sind in der kohlenstoffhaltigen Variante nicht mehr alle Elektronen gepaart. „Wie wir vermutet hatten, führt das dazu, dass dieses Material nun ein magnetisches Moment aufweist“, sagt Peter Mohn. „Unsere Rechnungen zeigen ganz klar, dass tatsächlich der Kohlenstoff dieses magnetische Moment trägt – und das, obwohl Kohlenstoff sonst niemals magnetisch ist.“ Ähnliches Verhalten zeigt sich, wenn man statt Kohlenstoff Bor oder Stickstoff verwendet.

Magnetische Isolatoren

Überraschend war allerdings, dass sich die elektrischen Eigenschaften des Materials nicht maßgeblich änderten: „Man hätte vermuten können, dass das Material, wenn es magnetisch wird, in einen metallischen Zustand übergeht und elektrischen Strom leitet“, erklärt Peter Mohn. „Doch es bleibt nach wie vor ein Isolator.“ Dadurch wurde eine höchst interessante neue Klasse von Materialien entdeckt. Es ist zu vermuten, dass dieses bemerkenswerte Zusammenspiel von magnetischen und elektrischen Eigenschaften nicht nur bei Bariumtitanat festzustellen ist, sondern auch in anderen, ähnlichen Kristallen.

Auf dem Weg zur Super-Linse?

Die Hoffnung der Forschungsgruppe um Peter Mohn ist nun, dass sich aufgrund der eigenartigen elektromagnetischen Eigenschaften dieses Materials der Brechungsindex des Kristalls durch ein äußeres Magnetfeld steuern lässt. „Damit könnte man optische Linsen bauen, deren Brennweite flexibel einstellbar ist – ganz ohne mechanischen Zoom, wie man ihn aus der Fotokamera kennt“, spekuliert Mohn. Inwieweit das möglich ist, wird sich in künftigen Forschungen herausstellen.

Gewaltige Rechenkapazität

Quantenmechanische Simulationen dieser Art sind extrem rechenintensiv. Die TU Wien (und auch die Universität Wien, mit der auf diesem Gebiet viele Kooperationen bestehen) gilt international als wichtiges Zentrum der numerischen Materialwissenschaft. Das Team von Peter Mohn verwendete für seine Berechnungen das Vienna ab initio simulation package (VASP) – ein in Wien entwickeltes Softwarepaket, das mittlerweile auf der ganzen Welt angewandt wird. „Außderdem haben wie hier an der TU Wien einen äußerst leistungsfähigen Computercluster – den VSC-2“, sagt Peter Mohn. „Diese Rechenpower ist entscheidend, wenn man in der Materialwissenschaft international vorn dabei sein möchte.“ (Florian Aigner)

Originalpublikation:
Europhysics Letters, p-electron magnetism in doped BaTiO3-xMx (M=C, N, B)

Externer Link: www.tuwien.ac.at

Presseinformation der Universität Innsbruck vom 17.04.2012

Dem Fernziel, quantenoptische Experimente und Funktionen auf Halbleiterchips zu integrieren, sind österreichische und kanadische Wissenschaftler um Prof. Gregor Weihs einen entscheidenden Schritt näher gerückt. Sie haben im Labor erstmals eine praktikable Quelle für Photonenpaare in einem Halbleiter realisiert.

Experimentalphysiker nutzen seit Jahren verschränkte Lichtteilchen (Photonen), um die rätselhaften Eigenschaften der Quantenwelt zu ergründen. Für Anwendungen dieser Phänomene in der Quantenkryptographie oder in Quantencomputern werden alltagstaugliche Quantentechnologien benötigt. Physiker träumen deshalb von quantenoptischen Chips, in denen alle benötigen Funktionen auf kleinstem Raum untergebracht werden können. Eine Gruppe um Prof. Gregor Weihs von der Universität Innsbruck und der Universität Waterloo hat gemeinsam mit Forschern der Universität Toronto nun erstmals auf einem Halbleiterchip aus Gallium-Arsenid eine Quelle für verschränkte Photonenpaare realisiert.

Nanostrukturen leiten Licht

Gallium-Arsenid ist ein gängiges Material für den Bau von Laserdioden. Es verfügt über die von Quantenoptikern geschätzten nichtlinearen Eigenschaften, die vielfältige physikalische Phänomene technologisch nutzbar machen. So lassen sich in dem Material auch Photonen aus einem Laser in Photonenpaare niedrigerer Energie aufspalten. Diese in einem Halbleiter generierten Photonenpaare sind verschränkt, haben also einen Quantenzustand gemeinsam. Für die praktische Nutzung der Verschränkung für die Informationsverarbeitung stellt sich aber ein Problem. „Weil sich die Photonen des Lasers und die Photonenpaare mit unterschiedlicher Geschwindigkeit durch das transparente Material fortbewegen, löschen sie sich meist gegenseitig aus“, erklärt Gregor Weihs. „Die Ausbeute an Photonenpaaren ist deshalb äußerst gering.“ Der Idee von Forscherkollegen der Universität Toronto folgend, haben Weihs und sein Team den Halbleiterchip deshalb wie einen Schichtkuchen aufgebaut. Die einzelnen Schichten haben unterschiedliche Brechungsindizes, und ihre Dicke liegt im Nanometerbereich. An den Schichtgrenzen kommt es zu Lichtreflexionen, die – richtig eingesetzt – die Photonen in gleicher Geschwindigkeit durch das Material leiten und so die gegenseitige Auslöschung verhindern. Damit steigt die Effizienz der Photonenquelle stark an.

Zukunft Quantenchip

Die exakte Herstellung der genau definierten Nanostrukturen ist freilich nicht einfach, so dass die Physiker in ihrem Experiment noch hohe Leistungsverluste verzeichnen. „Der Effekt ist allerdings so effizient, dass wir selbst unter diesen Voraussetzung ein sehr gutes Signal erhalten“, freut sich Quantenphysiker Weihs. Nun will er mit seinem Team die Photonenquelle so weiterentwickeln, dass auch die Polarisation der Photonen verschränkt werden kann. Diese Eigenschaft wird in der Quanteninformationsverarbeitung mit Photonen besonders oft gerne eingesetzt. „Wir haben immer von einer solchen integrierten Photonenquelle geträumt, in die wir einen elektrischen Impuls senden und am Ausgang verschränkte Photonen erhalten“, erzählt Gregor Weihs. „Damit werde ich in unseren Experimenten die heute noch aufwändigen Aufbauten eines halben Labortisches ersetzen können.“ Am Ende dieser Entwicklung könnten vollständig integrierte quantenoptische Bausteine stehen, die die Quanteninformationsverarbeitung in Zukunft alltagstauglich machen.

Publikation:
Monolithic Source of Photon Pairs. Rolf Horn, Payam Abolghasem, Bhavin J. Bijlani, Dongpeng Kang, A. S. Helmy, and Gregor Weihs. Phys. Rev. Lett. 108, 153605 (2012)

Externer Link: www.uibk.ac.at