Mediendienst der Universität Stuttgart vom September 2010

Neue Materialien durch künstliche Symmetrien

Manche Symmetrien mag die Natur, andere offenbar nicht. Oft weisen geordnete Festkörper eine sogenannte sechszählige Rotationssymmetrie auf. Dabei umgeben sich die Atome in einer Ebene jeweils mit sechs Nachbarn, wie man dies von Bienenwaben kennt. Geordnete Materialien mit sieben, neun- oder elfzähliger Symmetrie scheinen in der Natur dagegen nicht vorzukommen. Den Grund hierfür haben Forscher der Universität Stuttgart, des Max-Planck-Instituts für Metallforschung und der TU Berlin gefunden, als sie versuchten einer Lage geladener Kolloidteilchen mit starken Laserfeldern eine siebenzählige Symmetrie aufzuzwingen: Für die Entstehung geordneter Strukturen sind demnach Keimzellen erforderlich, die in Symmetrien, die die Natur bevorzugt, besonders häufig auftreten.

Atome in Metallen ordnen sich häufig nach einer sechszähligen Rotationssymmetrie an. Daneben existieren andere, kompliziertere Strukturen, etwa mit fünf-, acht- oder zehnzähliger Rotationssymmetrie. „Bemerkenswert ist, dass Materialien mit sieben-, neun- oder elfzähliger Symmetrie in der Natur noch nie beobachtet wurden“, sagt Clemens Bechinger, Professor an der Universität Stuttgart und Fellow am Max-Planck-Institut für Metallforschung. Wurden solche Materialien bisher einfach übersehen oder hat die Natur etwa eine Abneigung gegen gewisse Symmetrien? Der Physiker Clemens Bechinger ist dieser Frage mit seinen Mitarbeitern nun nachgegangen. Die Antwort könnte unter anderem helfen, Materialien für technische Anwendungen maßzuschneidern. Denn die Eigenschaften eines Materials hängen generell stark von seiner Rotationssymmetrie ab. Graphit und Diamant etwa bestehen beide aus Kohlenstoffatomen und unterscheiden sich ausschließlich in der Kristallsymmetrie.

Um Materialien mit siebenzähliger Symmetrie herzustellen, greifen die Forscher zu einem Trick: Sie erzeugen mit Laserstrahlen ein Lichtmuster mit siebenzähliger Symmetrie. Darin bringen sie eine Lage von Kolloidteilchen ein. Das elektromagnetische Feld des Lichtmusters wirkt auf die Teilchen wie eine Gebirgslandschaft, in der sie sich bevorzugt in die Täler setzen. Die Kolloidteilchen versuchen eine Anordnung mit sechszähliger Symmetrie zu bilden. Indem die Forscher die Intensität der Laser erhöhen, verstärken sie den Zwang auf die Teilchen, eine siebenzählige Symmetrie zu bilden. Auf dieselbe Weise pferchen die Physiker die Teilchen in ein fünfzähliges Lichtgitter und beobachten, dass für das Erzwingen der fünfzähligen Symmetrie viel geringere Laserintensitäten ausreichen.

Als Ausgangspunkte für die entstehenden Symmetrien haben die Forscher blütenförmige Strukturen im Lichtmuster identifiziert, die bei fünfzähliger Symmetrie gut 100 Mal häufiger auftreten als im siebenzähligen Muster. Demnach ist also einfach die Dichte dieser Keimzellen verantwortlich dafür, dass die Natur bestimmte Symmetrien bevorzugt. Das Wissen, wie sich neue Materialien mit unkonventionellen Symmetrien erzeugen lassen, ist nützlich, da sie über interessante Eigenschaften verfügen, wie etwa einen sehr kleinen Reibungswiderstand. In Form von dünnen Beschichtungen könnten solche Materialien beispielsweise die Gleitfähigkeit beweglicher Teile verbessern. Auch photonische Kristalle mit siebenzähliger Symmetrie bieten neue Verwendungsmöglichkeiten, da ihre optischen Eigenschaften weniger stark von der Einfallsrichtung eines Lichtstrahls abhängen.

Externer Link: www.uni-stuttgart.de

Presseaussendung der TU Wien vom 16.09.2010

Prof. Schattschneider von der Technischen Universität (TU) Wien entwickelt mit Kollegen aus Belgien eine Methode, rotierende Elektronenstrahlen zu erzeugen und veröffentlicht die neue Technik im Fachjournal „Nature“.

Wien (TU) – Mit rotierenden Quantenteilchen Materie manipulieren: Einem Team von der Universität Antwerpen und der TU Wien (Prof. Peter Schattschneider, Institut für Festkörperphysik) gelang es, sogenannte Vortex-Strahlen zu erzeugen: Rotierende Elektronenstrahlen, die es erlauben, magnetische Eigenschaften der Materie zu untersuchen. In Zukunft können sie es sogar ermöglichen, winzigste Bauteile gezielt zu manipulieren und in Rotation zu versetzen. Über diesen Durchbruch in der Elektronenphysik und seine Anwendung berichten die Physiker in der aktuellen Ausgabe des Fachmagazins „Nature“.

Rotierender Strom: der Quanten-Tornado

Elektronenstrahlen werden schon lange zur Analyse von Materialien verwendet – etwa in Elektronenmikroskopen. Ihre Drehung spielt dabei meist keine Rolle. Klassisch betrachtet trägt ein Elektronenstrom im Vakuum keinen Bahndrehimpuls. Quantenmechanisch allerdings muss man sich die Elektronen wie einen wellenartigen Strom vorstellen – und der kann sich insgesamt umseine Ausbreitungsrichtung herum drehen, ähnlich wie der Luftstrom in einem Tornado.
Vortex-Lichtstrahlen werden in der Optik seit einiger Zeit verwendet (etwa als optische Pinzetten, um kleine Teilchen zu manipulieren). Vortex-Strahlen aus Elektronen bieten ebenfalls viele neue Möglichkeiten, Nanoteilchen zu steuern oder drehimpulsbezogenen Größen zu messen. Allerdings hatte man bisher keine wirklich effizienten Methoden, sie herzustellen. „Als ich dann an einer Idee arbeitete, wie man diese Strahlen technisch erzeugen könnte, stellte sich heraus, dass Kollegen aus Antwerpen die gleiche Idee gehabt hatten“, erzählt Prof. Schattschneider. „So beschlossen wir also, das Projekt gemeinsam weiterzuverfolgen: Antwerpen war in der Herstellung weiter, und aus Wien kam dann ein Vorschlag zur ersten Anwendung.“

Der Trick mit der Maske

Möglich wurde die Erzeugung der Vortex-Elektronenstrahlen mit Hilfe einer gitterartigen Maske, die aus einer Platinfolie herausgeschnitten wird. Ähnlich wie Lichtstrahlen gebeugt werden, wenn man sie durch ein feines Gitter sendet, verhält sich auch der Elektronenstrahl, wenn er die Platinmaske passiert. Die Form dieser Maske, die nur einige Millionstel Meter misst, wurde speziell so berechnet, dass eine einfallende ebene Elektronenwelle in Vortex-Strahlen umgewandelt wird. So bildet sich hinter dem Gitter ein rechtsdrehender und ein linksdrehender Vortex-Strahl, und in der Mitte ein gewöhnlicher Elektronenstrahl ohne Rotation. Bestrahlt man mit den Elektronen ein Material, das seinerseits Einfluss auf den Drehimpuls der Elektronen ausübt, und schickt man die Elektronen anschließend durch die maßgeschneiderte Platinmaske, so ist danach entweder der rechtsdrehende oder der linksdrehende Vortex-Strahl intensiver. „Das gibt uns die Möglichkeit, drehimpulsbehaftete Prozesse in Nanomaterialien viel genauer zu untersuchen als das bisher machbar war“, erklärt Prof. Schattschneider.

Besser als Science Fiction

Dem Physiker, der gelegentlich auch wissenschaftliche Science-Fiction schreibt, fällt es nicht schwer, sich noch exotischere Anwendungen der Vortex-Strahlen auszudenken: „Man könnte mit diesen Elektronenstrahlen gezielt winzige Räder eines mikroskopisch kleinen Motors in Drehung versetzen. Auch das Magnetfeld der kreisenden Elektronen könnte auf winzigsten Längenskalen eingesetzt werden“, spekuliert Schattschneider. Selbst Anwendungen in der Datenübertragung (Quantenkryptographie) und bei Quantencomputern sind denkbar. (Florian Aigner)

Originalpublikation:
J. Verbeeck, H. Tian, P. Schattschneider: Production and application of electron vortex beams, Nature, 2010.

Externer Link: www.tuwien.ac.at

Pressemitteilung der Universität Heidelberg vom 10.09.2010

Forscherteam kann Auftreten polarisations-verschränkter Photonenpaare durch indirekte Messungen nachweisen

Die Verschränkung von Lichtteilchen, wie sie 2003 in einem theoretischen Konzept vorgestellt worden ist, hat ein internationales Forscherteam unter Leitung des Physikers Prof. Dr. Jian-Wei Pan von der Universität Heidelberg jetzt erstmals experimentell realisiert. Den Wissenschaftlern aus Deutschland, Taiwan und China ist es als weltweit ersten gelungen, das Auftreten von sogenannten polarisations-verschränkten Photonenpaaren bei der Standardmethode ihrer Erzeugung lediglich durch indirekte Messungen nachzuweisen. Ihre Forschungsergebnisse, die vor allem für Quantenkommunikation und Quanteninformationsverarbeitung von Bedeutung sind, werden in der Zeitschrift „Nature Photonics“ vorgestellt.

Photonen werden umgangssprachlich auch als Lichtteilchen bezeichnet. Aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften sollen sie für quantenphysikalische Anwendungen wie zum Beispiel optische Quantencomputer nutzbar gemacht werden. Erforscht werden dazu Quantensysteme, die aus mehreren voneinander abhängigen Lichtteilchen bestehen. Die Standardmethode zur Erzeugung dieser verschränkten Photonen, die parametrische Fluoreszenz, hat bislang den Nachteil, dass die Anwesenheit der Teilchen ohne Messung nicht nachweisbar ist. Durch die Messung wird jedoch der Quantenzustand unweigerlich beeinflusst und kann nicht mehr weiterverwendet werden.

Das den Heidelberger Forschungsarbeiten zugrundeliegende theoretische Konzept basiert auf der gleichzeitigen Erzeugung von drei polarisations-verschränkten Photonenpaaren aus einer einzigen parametrischen Fluoreszenzquelle. Vier der sechs erzeugten Teilchen dienen dabei als „Hilfsteilchen“. Sie können mithilfe eines ausgeklügelten Detektionsprotokolls gemessen werden und kündigen damit die Anwesenheit der anderen beiden Photonen an, so dass deren Messung nicht erforderlich ist und der quantenmechanische Zustand unverändert bleibt. Die Experten sprechen hier von einer angekündigten oder auch deterministischen Erzeugung der Verschränkung.

Technisch galt dieses Konzept zunächst als nicht umsetzbar. Zur Messung der Photonen müssten spezielle Detektoren eingesetzt werden, die die Anzahl der gleichzeitig ankommenden Lichtteilchen bestimmen können, kommerziell aber nicht erhältlich sind. Das internationale Wissenschaftlerteam um Prof. Pan stand vor der Herausforderung, durch eine Variation des Versuchsaufbaus das Experiment mithilfe einfacher optischer Bauteile und allgemein verfügbarer Schwellwert-Detektoren zu realisieren. Sie reduzierten dazu die Wahrscheinlichkeit, dass überhaupt Photonen zu den Messgeräten gelangen.

„Wir haben damit zwar eine Verringerung der absoluten Effizienz unserer Quelle in Kauf genommen, konnten aber gleichzeitig die Vorhersagegenauigkeit eines maximal verschränkten Photonenpaares deutlich erhöhen“, betont die Heidelberger Wissenschaftlerin Dr. Claudia Wagenknecht aus dem Team von Prof. Pan. Die Forscher sehen darin einen wichtigen Schritt für eine zukünftige Nutzung der parametrischen Fluoreszenz und die Entwicklung deterministischer Quellen für die Verschränkung von Lichtteilchen, um damit insbesondere Experimente in der Quantenkommunikation und der Quanteninformationsverarbeitung durchzuführen und praktische Anwendungen realisieren zu können.

An den Forschungsarbeiten waren Wissenschaftler des Physikalischen Instituts der Ruperto Carola, der National Cheng Kung University in Tainan/Taiwan und der University of Science and Technology of China in Hefei beteiligt.

Originalveröffentlichung:
C. Wagenknecht, C.-M. Li, A. Reingruber, X.-H. Bao, A. Goebel, Y.-A. Chen, Q. Zhang, K. Chen & J.-W. Pan: Experimental demonstration of a heralded entanglement source, Nature Photonics, August 2010, Volume 4 No 8, pp549-552, doi:10.1038/nphoton.2010.123

Externer Link: www.uni-heidelberg.de

Presseinformation der LMU München vom 02.09.2010

Ein Modellsystem zum Gruppenverhalten von Nanomaschinen

Für menschliche Betrachter ist die geordnete und scheinbar choreografierte Bewegung von Hunderten oder sogar Tausenden von Fischen, Vögeln oder Insekten faszinierend. Die Entstehung und vielfältigen Bewegungsmuster derartiger Schwärme sind aber noch rätselhaft und werfen grundlegende Fragen zum Verständnis komplexer Systeme auf. Ein Physiker-Team der Technischen Universität München (TUM) und der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) München hat nun ein vielseitiges biophysikalisches Modellsystem entwickelt, das die Untersuchung dieser Phänomene und ihrer Gesetzmäßigkeiten ermöglicht. Mithilfe der Kombination aus einer experimentellen Plattform und theoretischen Modellen sollen auch komplexe Systeme beschrieben und deren physikalische Gesetzmäßigkeiten aufgedeckt werden. Über ihre Ergebnisse berichten die Münchener Forscher in der aktuellen Ausgabe des Journals Nature.

„Alles bewegt sich fort, und nichts bleibt“ ist ein Satz, der auf den griechischen Philosophen Heraklit zurückgeführt wird. Das einzelne Individuum muss sich als Teil eines großen Ganzen, etwa eines Schwarms oder einer Menschenmenge, zwangsläufig deren eigenen Gesetzmäßigkeiten unterordnen: Vogelschwärme bewegen sich auch ohne Dirigent wie choreografiert durch die Luft, und Fischschwärme ändern blitzartig ihre Richtung, wenn ein Hai auftaucht. Doch die Wissenschaft rätselt noch: Gehorchen all diese Systeme denselben Gesetzen? Entsteht komplexes Gruppenverhalten aus individuellen Interaktionen von selbst und zwangsläufig? Ein Forscherteam um Professor Andreas Bausch, Lehrstuhl für Biophysik der TUM, und Professor Erwin Frey, Lehrstuhl für Statistische und Biologische Physik der LMU, ist den Antworten auf der Spur.

Die Münchener Wissenschaftler haben nun ein biophysikalisches Modellsystem entwickelt, das es erlaubt, gezielt Experimente unter kontrollierten Bedingungen und in hoher Präzision durchzuführen. Volker Schaller vom TUM-Lehrstuhl für Biophysik und Erstautor der Studie, verankerte dazu auf einer Oberfläche biologische Motorproteine, die lose darüberliegende Fasern des Muskelproteins Aktin in beliebige Richtungen transportieren können. Die Fasern haben einen Durchmesser von etwa sieben Nanometern, also sieben Millionstel Metern, und eine Länge von etwa zehn Mikrometern, also zehn Tausendstel Millimetern. Die Bewegung der Fasern wurde mit hochauflösender Mikroskopie sichtbar gemacht.

Im Experiment begannen sich die Aktin-Fasern zu bewegen, sobald ATP – der Treibstoff für Motorproteine – zugegeben wurde. Bei niedrigen Konzentrationen der Aktin-Fasern ist die Bewegung noch völlig chaotisch. Erst ab einer Dichte von mehr als fünf Aktin-Fasern pro Quadratmikrometer, begannen sich die Fasern kollektiv in größeren Verbänden zu bewegen – in verblüffender Übereinstimmung zu Vogel- oder Fischschwärmen. „Wir können in diesem System alle relevanten Parameter einstellen und beobachten“, so Schaller. „Damit lassen sich auch die Aussagen verschiedener Theorien zur Selbstorganisation experimentell überprüfen – und zwar auf einer winzigen Längenskala mit ‚Nanomaschinen‘.“

Wie aus dem Nichts bildeten sich im Versuch Strukturen, etwa Wellen, Spiralen oder geordnete Cluster. Manche dieser Strukturen erreichten eine Größe von fast einem Millimeter und blieben bis zu mehreren Minuten stabil, bevor sie sich wieder auflösten. Ausgehend von diesen Beobachtungen entwickelte Frey zusammen mit seinem Doktoranden Christoph Weber theoretische Modelle, um die experimentellen Ergebnisse zu beschreiben. Mit Hilfe dieser Kombination aus erweiterbaren theoretischen Modellen und einer experimentellen Plattform wollen die Physiker nun schwierigere Probleme angehen und deren physikalische Gesetzmäßigkeiten aufdecken.

„Phänomene der Selbstorganisation begleiten uns auf allen Ebenen unseres Lebens,“ sagt Bausch. „Das fängt an bei Verkehrsstaus und der Bewegung von Menschenmassen sowie Schwärmen von Tieren und reicht bis zur Organisation biologischer Prozesse. Wichtige Beispiele sind hier der Aufbau des zellulären Zytoskeletts oder der Proteintransport in der Zelle durch Motorproteine.“ Die zugrundeliegenden Prinzipien – ob nun in ökonomischen, biologischen oder physikalischen Systemen – gehören aber noch zu den großen offenen Fragen der Theoretischen Physik. „Auch für unser Naturverständnis gibt es hier noch viele fundamentale Gesetzmäßigkeiten zu entdecken“, betont Frey. „Prognosen sollten aber nicht vorschnell auf die Dynamik von Menschenmassen übertragen werden – deren Komplexität lässt sich bislang kaum in theoretischen Modellen erfassen.“

Die Forschungsarbeiten werden unterstützt aus Mitteln der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG, SFB 863), des Exzellenzclusters Nanosystems Initiative Munich (NIM), des TUM Institute for Advanced Study der TUM und dem Bayerischen Elitenetzwerk (CompInt, NanoBioTechnology).

Publikation:
Volker Schaller, Christoph Weber, Christine Semmrich, Erwin Frey und Andreas R. Bausch;
Polar patterns of driven filaments;
Nature, 2. September 2010. S. 73 – 77;
doi:10.1038/nature09312

Externer Link: www.uni-muenchen.de