Pressemitteilung der Universität Stuttgart vom 19.04.2011

Veröffentlichung in Nature Physics und DFG-Forschergruppe

Forschern des 3. Physikalischen Instituts sowie des Stuttgart Research Centers für Photonische Technologien (SCoPe) der Universität Stuttgart ist es gelungen, mit einer einzelnen atomaren Fehlstelle in Diamant elektrische Felder zu messen. Damit können künftig die Struktur einer Substanz und deren chemische Reaktivität gleichzeitig bestimmt werden. Über diese Messungen berichtet nun die renommierte Zeitschrift Nature Physics. Die Erfolge der Stuttgarter Wissenschaftler auf dem Feld der Quantendiamanten honorierte auch die Deutsche Forschungsgemeinschaft DFG, die in ihrer Sitzung im April die Einrichtung der DFG-Forschungsgruppe „Diamond Materials and Quantum Application“ an der Uni Stuttgart bewilligt hat.

Die Quantenphysik wandelt sich dank eines immer umfassenderen Verständnisses und gut beherrschbarer Experimente zunehmend zum Forschungsfeld Quantentechnologie. Physikerinnen und Physiker können mittlerweile Materie maßschneidern und die Quantendynamik beeinflussen, was vielfältige Anwendungsmöglichkeiten beispielsweise in der Informationsverarbeitung oder der Sensorik eröffnet. Die Forschergruppe „Diamond Materials and Quantum Application“ (Sprecher: Prof. Jörg Wachtrup, 3. Physikalisches Institut der Universität Stuttgart) widmet sich mit Diamant einem sehr vielversprechenden Quantenmaterial und nutzt die technologischen Grundlagen dazu, besser kontrollierte und immer komplexere Diamant-Strukturen herzustellen. Hierzu bringt die Forschergruppe Experten zu Materialwachstum, Strukturierung und Defekterzeugung, aber auch Quantenoptik und Spintronik zusammen. Sie fokussiert vor allem auf die Anwendung von „Quanten-Diamanten“ in den Bereichen Quantenphotonik und Spintronik. Die Ergebnisse der Forschergruppe könnten in der Zukunft aber auch unter anderem in der Medizin Anwendung finden.

Hochgenaue Messung elektrischer Felder

In den jetzt in Nature Physics publizierten Forschungsarbeiten widmen sich die Stuttgarter Forscher der großen physikalischen Herausforderung, elektrische Felder zu vermessen. Solche Felder spielen an verschiedenen Stellen in der Natur und Technik eine entscheidende Rolle. Nervenimpulse werden zum Beispiel durch die Veränderung von elektrischen Feldern übertragen und auch die moderne Datenspeicherung wie zum Beispiel auf USB-Sticks beruht auf der Speicherung elektrischer Ladung. Die hochgenaue Messung der mit den Ladungen verbundenen kleinen elektrischen Felder ist allerdings eines der anspruchsvollsten Gebiete der Messtechnik. Die Stuttgarter Forscher haben dafür einen neuartigen Sensor entwickelt, der aus lediglich einem einzelnen Atom besteht. Dieses Stickstoffatom ist als Verunreinigung in Diamant enthalten. Das Diamantgitter fixiert das Atom und erlaubt es gleichzeitig, mit Hilfe eines Lasers die atomare Fehlstelle zu adressieren. Die Wechselwirkung des Atoms mit dem zu messenden Feld kann mittels des von der Verunreinigung wieder ausgesendeten Lichts bestimmt werden. Auf diese Weise ist man in der Lage, elektrische Felder zu messen, die einem Bruchteil einer Elementarladung in einer Entfernung von 0,1 Mikrometern entsprechen. Da der Sensor selbst ungefähr die Abmessung von einem Atom besitzt, können elektrische Felder ebenfalls mit dieser räumlichen Präzision gemessen werden. Das optische Auslesen des Sensors erlaubt es, den Sensor in jeder beliebigen Geometrie anzubringen. Zudem erreicht das Verfahren bei Raumtemperatur und unter Umgebungsbedingungen seine Empfindlichkeit und Auflösung.

Mit demselben Verfahren konnten Wissenschaftler in der Vergangenheit bereits den Nachweis kleiner magnetischer Felder demonstrieren. Jetzt wurde es erstmals möglich, am selben Ort das elektrische sowie magnetische Feld zu bestimmen, ohne den Sensor wechseln zu müssen. Diese einzigartige Kombination eröffnet vollkommen neue Möglichkeiten, zum Beispiel das gleichzeitige Messen der Verteilung von magnetischen Momenten der Kerne chemischer Verbindungen sowie die Ladungsverteilung von Elektronen in einzelnen Molekülen.

Veröffentlichung:
Florian Dolde, Helmut Fedder, Marcus W. Doherty, Tobias Nöbauer, Florian Rempp, Gopalakrishnan. Balasubramanian, ThomasWolf, Friedemann Reinhard, Lloyd C.L. Hollenberg, Fedor Jelezko and Jörg Wrachtrup: Sensing electric fields using single diamond spins – Nature physics 10.1038/NPHYS1969

Externer Link: www.uni-stuttgart.de

Pressemitteilung der TU München vom 06.04.2011

Erstflug eines von Doktoranden der TU München entwickelten Testflugzeugs:

Eine Vielzahl von Sensoren und Systemen liefern modernen Flugzeugen die Daten für die Flugsteuerung. Aber auch für die Messung von Schadstoffen, die archäologische Forschung und sogar die Suche nach Vermissten bringt die Vogelperspektive große Vorteile. Doktoranden der Technischen Universität München (TUM) haben nun ein unbemanntes Kleinstflugzeug entwickelt, das für eine Vielzahl solcher Aufgaben eingesetzt werden kann. Gestern hatte es seinen Erstflug.

Bei bestem Wetter absolvierte gestern ein neues Testflugzeug der TU München auf dem Flugfeld des MFC Red Baron bei Heimstetten erfolgreich seinen Erstflug. Das auf den Namen „IMPULLS“ (Innovative Modular Payload UAV – TUM LLS) getaufte Kleinstflugzeug dient dem Test von Sensoren und Systemen für die Luftfahrt. Entwickelt haben es Doktoranden der Lehrstühle für Luftfahrtsysteme und für Flugsystemdynamik in Garching. Angetrieben wird es emissionsfrei und leise durch einen kompakten Elektromotor.

Ein wesentliches Merkmal der neuartigen Konstruktion ist der modulare Aufbau. Mit wenig Aufwand können die Wissenschaftler so unterschiedlichste Systeme einbauen und unter Flugbedingungen testen. Dies gilt ebenso für die Komponenten der elektrischen Antriebseinheit, denn die Wissenschaftler wollen mit IMPULLS auch erforschen, wie elektrische und hybride Antriebe in Flugzeugen eingesetzt werden können.

Ideal eignen sich automatisch fliegende, unbemannte Kleinstflugzeuge wie IMPULLS (engl. unmanned aerial vehicles, UAV) für Schadstoffmessungen in der Atmosphäre, für luftgestützte geographische Messungen oder Überwachung von Natur und Infrastruktur aus der Luft. Ein weiteres Einsatzfeld ist die Informationsgewinnung in Not- und Gefahrensituationen. Entsprechend ausgerüstete unbemannte Flugzeuge ließen sich auch unter schwierigen Wetterbedingungen oder bei Gefährdungen einsetzen, denen man Piloten nicht aussetzen möchte.

„Dank der fortschreitenden Miniaturisierung und der steigenden Leistungsfähigkeit von Sensorik- und Avioniksystemen können wir mit IMPULLS die Grundlagen für solche Entwicklungen legen,“ sagt Professor Mirko Hornung, Inhaber des Lehrstuhls für Luftfahrtsysteme. Aber auch die Ableitung und das Verständnis entsprechender Geschäftsmodelle und Dienstleistungsangebote sind Fragestellungen, die mit IMPULLS als Plattform untersucht werden.

IMPULLS hat eine Spannweite von 5 Metern und ein Leergewicht von 20 Kilogramm. Angetrieben wird es von einem Elektromotor mit zwei Kilowatt Leistung. Bis zu 10 Kilogramm Zuladung kann das Kleinstflugzeug an Bord nehmen und damit bis zu 75 Minuten non-stop in der Luft bleiben. Ähnlich wie bei einem Verkehrsflugzeug sind bei IMPULLS die wesentlichen sicherheitskritischen Systeme redundant ausgelegt.

Externer Link: www.tu-muenchen.de

Pressemitteilung der TU München vom 23.03.2011

Absolventen der TU München gründen Firma für Sensortechnik:

So klein und unauffällig wie ein Hörgerät ist ein neues Thermometer, das im Ohr die Körperkerntemperatur des Menschen kontinuierlich misst. Diese ist wichtig, um die Leistungsfähigkeit von Sportlern zu beurteilen oder um Schutzkleidung für Feuerwehrleute oder Astronauten zu entwickeln. Erfunden hat das Gerät, das gleichzeitig den Puls misst und etwa den Brustgurt zur Pulsmessung ablösen könnte, ein Doktorand der Technischen Universität München (TUM), der jetzt mit zwei weiteren Absolventen eine Firma gründet und den Sensor erstmals auf der Hannover Messe präsentiert.

Funktionskleidung zu testen ist für die Probanden meist etwas unangenehm. Denn während sie in einer Klimakammer auf einem Heimtrainer strampeln, wird ihre Körperkerntemperatur gemessen, die anzeigt, wie gut die Funktionskleidung die Körperwärme reguliert. Weil die Probanden Sport treiben, können sie keine gewöhnlichen Fieberthermometer unter Zunge oder Achselhöhle halten, zudem ist es wichtig, die Temperatur kontinuierlich zu messen. Deshalb wird die Wärme im Körperinneren von speziellen Sonden bestimmt – in der Speiseröhre oder rektal.

Im sportlichen Training zeigt die Körperkerntemperatur den Leistungsstatus des Menschen an – viel genauer als der Puls. Der lässt sich zwar leichter messen und die meisten Sportler orientieren sich daran, zwei Bierchen am Vorabend können den Puls allerdings schon in die Höhe treiben.

Einen Sensor zu entwickeln, der für den praktischen Alltag gemacht ist und drahtlos Daten des Körpers übermittelt, war die Aufgabe für den Doktoranden Johannes Kreuzer am TUM-Lehrstuhl für Realzeit-Computersysteme. Er entschied sich für einen Temperatursensor, der die Körpertemperatur im Ohr misst und damit bei Bewegungen nicht hinderlich ist. Das Gerät ist so klein wie ein Hörgerät, lässt sich angenehm tragen und ist gut geeignet für den Sport, wie erste Tests mit Autorennfahrern und Marathonläufern zeigten. Auch in einer sportwissenschaftlichen Studie an der TUM zeigte der Sensor, wie sich das Material von Laufshirts auf die Körpertemperatur auswirkt.

Der Tragekomfort war die größte Herausforderung, erklärt Kreuzer: „Der Sensor muss einerseits eng im Gehörgang anliegen, um zuverlässig zu messen. Andererseits darf der Sensor auch nicht drücken. Das war ziemlich knifflig.“ Das Ergebnis ist ein Gerät, das die Temperatur auf 0,01 Grad Celsius genau bestimmt und gleichzeitig auch die Pulsfrequenz feststellt.

Zusammen mit zwei weiteren Absolventen gründet Johannes Kreuzer jetzt ein Unternehmen, das den Sensor herstellt. Anwendungen sieht der Elektroingenieur nicht nur im Umfeld des Sports. Das Gerät könnte auch in der Entwicklung von Schutzkleidung für Feuerwehrleute hilfreich sein und beim Testen der hermetisch geschlossenen Anzüge von Astronauten oder Reinraum-Arbeitern, meint Kreuzer – die Probanden würden es ihm wohl danken.

Externer Link: www.tu-muenchen.de