Presseinformation der Universität Göttingen vom 26.03.2010

Göttinger Biophysiker untersucht Ordnung und Struktur des Zellgerüsts

(pug) Aus adulten menschlichen Stammzellen können sich verschiedene Gewebezellen entwickeln. Welcher Zelltyp sich herausbildet, hängt unter anderem mit den mechanischen Eigenschaften der Zellumgebung zusammen: Auf weichen Oberflächen entwickeln sich nach einigen Tagen Nervenzellen, auf mittelharten Muskelzellen und auf harten Oberflächen entstehen Knochenzellen. Der Göttinger Biophysiker Dr. Florian Rehfeldt hat mittels Fluoreszensmikroskopie das frühe Stadium dieser Differenzierung untersucht. Bereits nach 24 Stunden konnte er erkennen, wie sich die Form und innere Struktur von Stammzellen aus dem Knochenmark in Richtung Muskelzellen verändern. Damit konnte Dr. Rehfeldt nachweisen, dass sich bereits nach sehr kurzer Zeit signifikante Unterschiede durch das komplexe mechanische Zusammenspiel zwischen Zelle und Umgebung herausbilden. Bei seiner Forschung hat er mit Kollegen aus Israel und den USA kooperiert. Die Wissenschaftler entwickelten und erprobten ein physikalisch theoretisches Modell, welches das komplexe System von Zelle und Umgebung mit einfachen Prinzipien der klassischen Mechanik erklärt. Ihre Forschungsergebnisse haben sie in der Online-Ausgabe der Fachzeitschrift „Nature Physics“ veröffentlicht.

„In der Medizin kann es in Zukunft von Nutzen sein, Stammzellen aus dem Knochenmark zu therapeutischen Zwecken einzusetzen. Dafür ist es wichtig zu verstehen, wie das komplexe mechanische Zusammenspiel zwischen Zelle und Umgebung abläuft“, so Dr. Rehfeldt. „Deshalb haben wir in unseren Experimenten sehr genau die Ordnung und Struktur des Zytoskeletts von Stammzellen in Abhängigkeit von der Zellumgebung untersucht.“ Das Zytoskelett ist das mechanische Gerüst, mit dessen Hilfe Zellen Kräfte aufbauen und an die Umgebung übertragen. Dieses Netzwerk im Inneren der Zelle besteht unter anderem aus Akto-Myosin-Stressfasern, die wie Taue kreuz und quer gespannt sind.

Dr. Rehfeldt hat in seinen Experimenten Stammzellen auf unterschiedlich harten Oberflächen wachsen lassen und mit Hilfe elektronischer Bildverarbeitung analysiert, wie sich diese Stressfasern ausrichten. „Die Zellen sind zunächst alle rund. Auf einer Oberfläche mittlerer Elastizität strecken sie sich in die Länge, indem sich die Stressfasern entlang der Hauptrichtung der Zelle ausrichten. Das ist ganz typisch für Muskelzellen“, erläutert der Göttinger Biophysiker. „Mit diesem Verfahren haben wir bereits 24 Stunden nach dem Auftragen der Stammzelle auf die Oberfläche starke Indizien für die Entwicklung in Richtung Muskelzelle. Biochemische Analysen können dies erst nach mehreren Tagen nachweisen.“

Für die Erklärung des komplizierten Systems haben Dr. Assaf Zemel von der Hebrew University in Jerusalem und Prof. Dr. Samuel Safran vom israelischen Weizman Institute of Science ein physikalisch theoretisches Modell entwickelt. „Obwohl dieses Rechenmodell auf einfachen mechanischen Annahmen beruht, kann es doch erstaunlich genau das komplexe Zusammenspiel von Zelle und Umgebung beschreiben. So können wir grundlegende Fragen der Biophysik von Zellen besser verstehen“, so Dr. Rehfeldt. Das Modell soll nun verfeinert werden, um auch das Verhalten anderer Zelltypen erklären zu können.

Dr. Florian Rehfeldt hat die Untersuchungen an der amerikanischen University of Pennsylvania begonnen, an der er als Postdoktorand im Rahmen eines Feodor-Lynen Stipendiums der Alexander von Humboldt-Stiftung forschte. Seine experimentelle Forschung für die Studie setzte er an der Universität Göttingen fort. Hier leitet er seit Oktober 2008 eine Nachwuchsgruppe zur Erforschung der Mechanik von Zellen und Zellumgebungen am Dritten Physikalischen Institut.

Originalveröffentlichung:
A. Zemel, F. Rehfeldt et al.: Optimal matrix rigidity for stress-fibre polarization in stem cells, Nature Physics (21 March 2010), DOI 10.1038/nphys1613

Externer Link: www.uni-goettingen.de

Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 04.03.2010

Erste Großanlage nun im Industrieeinsatz

Kohlefaserverstärkte Verbundwerkstoffe werden wegen ihres hohen Leichtbaupotenzials zunehmend in der Luft- und Raumfahrttechnik sowie im Fahrzeugbau eingesetzt. Mit dem im KIT entwickelten Mikrowellensystem HEPHAISTOS steht dafür ein energieeffizientes neuartiges Härteverfahren zur Verfügung. Im Rahmen eines vierjährigen vom BMBF geförderten Verbundprojektes mit weltweiten Partnern wurde das Verfahren nun erstmals in einer industriellen Versuchsanlage eingesetzt. Die Großanlage wurde soeben bei der Firma GKN Aerospace in München in Betrieb genommen.

Die HEPHAISTOS-Technologie ermöglicht energieeffiziente neuartige Härteverfahren für Verbundwerkstoffe, die ohne Umluftofen, Druckkammern oder teure beheizte Werkzeuge auskommen. Die Mikrowellentechnologie ist dabei als einziges physikalisches Verfahren in der Lage, ein Bauteil auf seinem gesamten Volumen gleichzeitig aufzuheizen. Mit den Entwicklungen des Karlsruher Instituts für Technologie können erstmalig gleichmäßige Mikrowellenfelder in beliebig großen Kammern erzeugt werden. Durch entsprechende Steuerung gelangt dabei die Energie sehr schnell und effektiv in Bauteile; die Aushärtung von polymeren Matrixsystemen, Schäumen oder Klebern wird stark beschleunigt.

„Die HEPHAISTOS-Technologie ist das Zentrum eines vierjährigen Verbundvorhabens, das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung mit einem Gesamtvolumen von sechs Millionen Euro gefördert wird“,  freut sich der Projektleiter, Priv.-Doz. Dr. habil. Lambert Feher vom Institut für Hochleistungsimpuls- und Mikrowellentechnik des KIT. „Nun haben wir bei der Firma GKN Aerospace in München zum ersten Mal eine Großanlage bei einem Industriekunden in Betrieb genommen.“

Viele weitere Anwendungen werden derzeit erschlossen: Untersucht wird unter anderem, inwieweit das HEPHAISTOS-Verfahren zur Erzeugung von hochwertigen Oberflächen nach Spezifikationen der Automobilindustrie einsetzbar ist. So wurde inzwischen mit der Dr. Ing. h.c. F. Porsche AG ein erstes Karosseriebauteil aus kohlefaserverstärkten Verbundwerkstoffen erfolgreich mit der HEPHAISTOS-Technologie ausgehärtet.

Projektpartner in dem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung mit sechs Millionen Euro geförderten Verbundprojekt „Optimierte Fertigung von Faserverbundstrukturen mit modularen Mikrowellenhärtungsanlagen“ sind die Luft- und Raumfahrtunternehmen EADS und GKN Aerospace, die Chemiekonzerne BASF und Hexion, der Fahrzeughersteller Porsche, sowie die Composit-Hersteller SGL Carbon und Fritzmeier Composites. (jh)

Externer Link: www.kit.edu

Pressemitteilung der Universität Stuttgart vom 01.03.2010

Weiterer Schritt in Richtung Quantencomputer

Ein weiterer entscheidender Schritt in Richtung Quantencomputer ist geglückt: Forschern der Universitäten Stuttgart, Ruhr Universität Bochum und Austin/Texas (USA) gelang es erstmals, zwei Stickstoffatome in einem Abstand von nur wenigen Nanometern so zu platzieren, dass über eine Laseranregung eine quantenmechanische Koppelung entsteht. Der Clou daran: Nur in einem Diamanten funktioniert das höchst genau, zuverlässig und sogar bei Raumtemperatur. Über ihre Ergebnisse berichten die Wissenschaftler in der renommierten Zeitschrift „Nature Physics“.

Die Forschungsergebnisse bestätigen die bereits seit einigen Jahren aufgestellte Vermutung der Stuttgarter Wissenschaftler Prof. Jörg Wrachtrup und Dr. Fedor Jelezko über die besonderen Eigenschaften des Diamanten: Das Farbzentrum – in der Fachsprache NV-Zentrum – liegt stabil im umgebenden Kohlenstoffgitter, wobei N für ein Stickstoffatom steht und V für eine Lücke. Da es im Diamanten quasi keine „Diffusion“ gibt, wandern die Atome nicht hin und her. Mit einem Laser gezielt beschossen, reagieren die beiden Stickstoffzentren und es kommt zu einer manipulierbaren Überlagerung der Spin-Zustände – den Drehbewegungen der Elektronen. Diese sehr komplexen Untersuchungen fanden in Stuttgart statt.

Dass die Kopplung der Atome im Farbzentrum des Diamanten selbst bei Raumtemperatur noch funktioniert, ist eine entscheidende Voraussetzung für den Aufbau des Quantencomputers. Dabei hatten die Forscher hohe Hürden zu überwinden. Damit die Voraussetzungen für ein Zusammenspiel der beiden Farbzentren im Diamant gegeben sind, mussten die Forscher sie in einem Abstand von zehn Nanometern (ein Nanometer entspricht einem Millionstel Millimeter) platzieren.

Mit ihren Experimenten stoßen die Forscher die Tür zu neuen Dimensionen auf. Bringt man einige zehn dieser Defektzentren in unmittelbare Nachbarschaft, so ließe sich damit ein Computer realisieren, der bei bestimmten Aufgaben jedem normalen Computer überlegen ist.

Veröffentlichung:
Philipp Neumann et al.: Quantum register based on coupled electron spins in a room-temperature solid. In: Nature Physics, Published online: 28 February 2010, doi: 10.1038/NPHYS1536

Externer Link: www.uni-stuttgart.de

Pressemitteilung der Universität Regensburg vom 11. Februar 2010

Forschern gelingt Trennung von verschränkten Elektronen durch den Einsatz von Kohlenstoff-Nanoröhren

Nach den theoretischen Grundsätzen der Quantenmechanik können zwei mikroskopisch kleine Objekte miteinander verschränkt sein. In diesem Fall sind beide Objekte auf komplexe Art und Weise verbunden, wobei diese Verbindung unter gewissen Umständen auch dann bestehen bleibt, wenn die beiden Objekte räumlich voneinander getrennt werden. Es ist möglich, nach einer solchen Trennung das eine Objekt derart zu stören, dass dies beim anderen messbar ist. Da die beiden Objekte dabei keine Information mehr untereinander austauschen, scheinen die Teilchen den Messprozess des jeweils anderen bereits vor dessen Eintreten zu kennen. Es zeigt sich also, dass die Werte der Messungen für die beiden Teilchen trotz der räumlichen Trennung streng korreliert bzw. aufeinander bezogen sind.

Dieser – nach den Physikern Einstein, Podolski und Rosen – so genannte EPR-Effekt wurde auf dem Gebiet der Informations- und Kommunikationstechnologie schon frühzeitig herangezogen, um Theorien darüber aufzustellen, wie sich diese seltsame Wechselwirkung verschränkter Teilchen für die Übermittlung und Verschlüsselung von Daten nutzen lassen könnte. Der experimentelle Nachweis von miteinander verschränkten Photonen bzw. Lichtteilchen gelang bereits in den 1980er Jahren in den Bell Laboratorien in den USA. Für die Entwicklung von Quantencomputern ist aber eine stärkere Wechselwirkung erforderlich, die viel eher zwischen Elektronen als zwischen Photonen möglich ist. Von besonderem Interesse wäre die Verschränkung von Elektronen in einem Festkörper, die sich aber bislang noch nicht ausreichend experimentell nachweisen ließ.

In diesem Zusammenhang ist einem internationalen Forscherteam, an dem neben Prof. Dr. Christoph Strunk und Lorenz Herrmann vom Institut für Experimentelle und Angewandte Physik der Universität Regensburg auch Forscher aus Frankreich und Spanien beteiligt waren, ein bedeutender Schritt in die richtige Richtung gelungen. Die Wissenschaftler konnten nachweisen, dass sich quantenmechanisch verschränkte Elektronen in Festkörpern räumlich voneinander trennen lassen. Für ihre Arbeit griffen die Forscher auf Kohlenstoff-Nanoröhren zurück. Im Rahmen ihrer Experimente ließen die Forscher verschränkte Elektronen – so genannte Cooper-Paare – über eine Supraleiter-Brücke fließen, bis diese eine Kohlenstoff-Nanoröhre erreichten, die dann als elektronisches Äquivalent eines Strahlenteilers diente. In verschiedenen Fällen trennten sich daraufhin die Elektronen und wurden zu den unterschiedlichen Messpunkten geleitet. Der experimentelle Nachweis des EPR-Effekts, also die Bestätigung darüber, dass die experimentell getrennten Elektronen trotz der räumlichen Distanz weiterhin verschränkt sind, steht nun auf der Agenda des Forscherteams. Derzeit wird global an diesem experimentellen Nachweis gearbeitet, der einen herausragenden Durchbruch in der Quantenphysik darstellen würde. Die Gruppe um den Regensburger Physiker Prof. Strunk liegt dabei sehr gut im Rennen.

Die Nutzung des Effekts der Quantenverschränkung ist von zentraler Bedeutung für die Entwicklung von Quantencomputern und neuen Kommunikationstechnologien, wobei die Anwendungen in Festkörpern einfacher in elektronische Schaltkreise zu integrieren sein dürften. Quantencomputer sind derzeit noch hypothetische Rechner, die aber in der Lage wären, komplexe Rechenoperationen in einem Bruchteil der Zeit eines herkömmlichen Computers zu erledigen. Die jüngsten Ergebnisse des internationalen Forscherteams bieten darüber hinaus vielfältige Perspektiven für die Analyse quantenmechanischer Effekte in Festkörper-Systemen.

Die Ergebnisse der Experimente der Physiker wurden vor kurzem in der renommierten Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht. Darüber hinaus widmete die Zeitschrift Physics diesen bahnbrechenden Forschungsergebnissen in einer Ausgabe im Januar 2010 einen eigenen „Viewpoint“.

Publikationen:

1.) L. G. Herrmann, F. Portier, P. Roche, A. Levy Yeyati, T. Kontos, and C. Strunk, Carbon Nanotubes as Cooper-Pair Beam Splitters, Physical Review Letters 104, 026801 (2010) – Published January 11, 2010

2.) Nadya Mason, Viewpoint in Physics 3, 3 (2010) DOI: 10.1103/Physics.3.3, Carbon nanotubes help pairs survive a breakup

Externer Link: www.uni-regensburg.de

Presseinformation der LMU München vom 01.02.2010

Resonator liefert kurze Lichtblitze für verschränkte Photonen

Ein wichtiger Schritt auf dem Weg zum Quantencomputer ist die Erzeugung und Untersuchung von Systemen aus mehreren verschränkten Quanten. Photonen, die Teilchen des Lichts, eignen sich sehr gut, um solche Quantensysteme herzustellen. Physikern um Professor Harald Weinfurter von der LMU München und dem MPI für Quantenoptik haben nun im Rahmen des Exzellenzclusters „Munich-Centre for Advanced Photonics“ (MAP) eine neue Methode entwickelt, mit deren Hilfe die für die Herstellung verschränkter Photonen nötigen ultrakurzen Lichtpulse mit sehr hoher Intensität und in schneller Folge erzeugt werden können. Neben dem Fernziel eines Quantencomputers eröffnen sich neue Möglichkeiten in verschiedenen Anwendungsbereichen, wie etwa der optischen Spektroskopie. (Nature Photonics online, 31. Januar 2010)

„Spukhafte Fernwirkung“ nannte Einstein die rätselhafte Wechselwirkung verschränkter Photonen, bei der die Messung des Zustands eines Photons den Zustand des anderen Photons beeinflusst. Ein Ziel der Forscher ist deshalb, viele Photonen zu verschränken und zu untersuchen, was dabei passiert. Dabei geht es nicht nur um die Entwicklung eines Quantencomputers, sondern auch um ein besseres Verständnis der Quantenwelt und die Frage, wie sich die Verschränkung über größere Quantensysteme verteilt. Mehrere verschränkte Photonen können aber nur mit Hilfe ultrakurzer und leistungsstarker Lichtpulse erzeugt werden. Bislang konnten die dafür nötigen hohen Pulsenergien nicht erreicht werden; besonders wenn die einzelnen Lichtpulse stroboskopähnlich kurz, intensiv und genügend schnell hintereinander im ultravioletten Spektralbereich erzeugt werden sollten.

Die Münchener Arbeitsgruppe übertrug nun erstmals eine Methode, die im infraroten Bereich des Lichtspektrums gut funktioniert, auf den energiereicheren ultravioletten (UV) Bereich. Sie setzen dafür einen Resonator ein, um UV-Lichtpulse von nur wenigen Femtosekunden (10-15 Sekunden) Dauer mit hoher Rate (82 MHz) hin und her zu jagen. Dabei addieren sich die Pulse fortlaufend, vorausgesetzt, jeder einfallende Lichtpuls überlagert sich exakt mit den bereits im Resonator umlaufenden Pulsen. Auf diese Weise entstehen ultrakurze Lichtpulse in schneller Folge. Diese Lichtpulse sind mehr als fünfmal stärker als solche, die durch vergleichbare kommerzielle Lasersysteme erzeugt werden können. Mit Hilfe der Lichtpulse wird dann im Resonator ein Kristall angeregt, der verschränkte Photonen aussendet.

Roland Krischek, der diese Resonanzkammer mit konstruiert und erprobt hat, sieht darin große Chancen: „Unser Lichtresonator gibt uns nun die Möglichkeit, die Verschränkung über größere Systeme genauer zu untersuchen“. Sein Kollege Witlef Wieczorek ergänzt: „Mit diesem Resonator kann man nicht nur verschränkte Photonen erzeugen, sondern auch Moleküleigenschaften oder den Ladungstransport in Halbleitern studieren.“ (MAP/suwe)

Publikation:
„Ultraviolet enhancement cavity for ultrafast nonlinear optics and high-rate multiphoton entanglement experiments“,
Roland Krischek, Witlef Wieczorek, Akira Ozawa, Nikolai Kiesel, Patrick Michelberger, Thomas Udem and Harald Weinfurter
Nature Photonics online, 31. Januar 2010
DOI: 10.1038/NPHOTON.2009.286

Externer Link: www.uni-muenchen.de