Spannende Themen, herausragende Dozenten und flexible Lernmöglichkeiten tragen zum wachsenden Erfolg der Massively Open Online Courses (MOOCs) bei – offene, internetgestützte Kurse mit einer Vielzahl an Teilnehmern rund um den Globus.
Folgender Kurs – zu finden auf der MOOC-Plattform edX – sollte einen Blick wert sein:
Low Emission Technologies and Supply Systems
Geoff Bongers (The University of Queensland) et al.
Start: 18.09.2018 / Arbeitsaufwand: 80 Stunden
Externer Link: www.edx.org
Performance:
Der TecDAX der Deutschen Börse AG legte im August 2018 um circa 4% zu.
Trend:
Auf Monatsbasis bedeutet der August 2018 das zweite Plus in Folge.
Medienmitteilung der Universität Basel vom 27.08.2018
Physiker der Universität Basel möchten den Spin von einzelnen Elektronen als Informationseinheit für potenzielle Quantencomputer nutzen. Nun konnten sie erstmals einen vor 15 Jahren vorhergesagten Mechanismus beim Kippen des Elektronenspins experimentell nachweisen. Gleichzeitig gelang es den Wissenschaftlern, die Richtung des Elektronenspins für fast eine Minute konstant zu halten – ein neuer Weltrekord. «Nature Communications» hat die Ergebnisse einer Zusammenarbeit mit Forschenden aus Japan, der Slowakei und den USA veröffentlicht.
Der Eigendrehimpuls von Elektronen (Spin) lässt sich in einem zukünftigen Quantencomputer zur Speicherung von Informationen nutzen. Dieses Konzept hat Professor Daniel Loss vom Departement Physik und Swiss Nanoscience Institute der Universität Basel zusammen mit Professor David DiVincenzo (RWTH Aachen) bereits vor 20 Jahren entwickelt und vorgeschlagen, den Elektronenspin in Quantenpunkten als kleinste Informationseinheit (Qubit) zu verwenden.
Theoretisch geeignet, experimentell herausfordernd
Der Elektronenspin erfüllt die dafür notwendigen Anforderungen: Wird ein Magnetfeld angelegt, kann der Spin in den beiden Zuständen «Spin-up» und «Spin-down» auftreten, die sich schnell hin und her schalten lassen.
Zudem unterliegt der Elektronenspin den besonderen Gesetzen der Quantenphysik. Die beiden Zustände können nämlich für einen bestimmten Zeitraum, der sogenannten Kohärenzzeit, gleichzeitig existieren. Spins lassen sich ausserdem miteinander koppeln. Wird der Zustand des einen Spins manipuliert, ändert sich sofort auch der Zustand des verschränkten Spins. Ein spin-basierter Quantencomputer könnte damit Millionen von Rechenoperationen gleichzeitig ausführen und Aufgaben erledigen, die für heutige Supercomputer undenkbar sind.
Schwierig ist jedoch die experimentelle Umsetzung der Theorie, unter anderem auch, weil die untersuchten Elektronen sowie ihr Spin winzig klein sind. Messungen und Manipulationen des Spins sind daher nur mit grossem technischen Aufwand möglich.
Neuer Mechanismus des Kippvorgangs
Eine Grundvoraussetzung, um die Richtung eines Spins zu messen, ist dessen Richtungsstabilität über einen möglichst langen Zeitraum. Unbeeinflusst tendiert der Spin dazu, relativ schnell auf den energetisch tieferen Zustand Spin-up zu kippen.
Diesen Kippvorgang, Relaxation genannt, untersucht die Gruppe von Professor Dominik Zumbühl vom Departement Physik und Swiss Nanoscience Institut der Universität Basel bereits seit einigen Jahren, da die so wichtige Kohärenzzeit immer auch durch die Relaxationszeit limitiert ist.
Erstmals konnten die Physiker nun einen neuen Mechanismus der Spinrelaxation experimentell nachweisen, der vor etwa 15 Jahren vorausgesagt worden war. Beim Kippen des Elektronenspins kippt dabei gleichzeitig ein Kernspin in die entgegengesetzte Richtung. Die überschüssige Energie wird dabei in Form einer Gitterschwingung abgegeben.
Technische Verbesserungen bringen den Fortschritt
Dank der technischen Neuerungen, welche diesen experimentellen Nachweis möglich machte, halten die Basler Wissenschaftler auch den Weltrekord in der Elektronenspinstabilität. Im Mittel konnten sie den Elektronenspin für 57 Sekunden auf dem energetisch hohen Spin-down Zustand halten.
Sie erreichten diesen Rekord, indem sie ihre Experimente mit hohem technischem Aufwand bei Temperaturen ganz knapp über dem absoluten Nullpunkt von -273,15 °C durchführten und einen piezoelektrischen Rotator verwendeten, mit dem sie die Richtung des Magnetfeldes genau steuern konnten.
Für die Experimente entwarfen die Basler Forscher einen etwa 2 mal 2 Millimeter grossen Chip aus dem Halbleitermaterial Galliumarsenid, auf dem sie in einem Quantenpunkt mithilfe von nanofabrizierten Metallelektroden ein einzelnes Elektron einfingen. Gekühlt auf extrem tiefe 60 Millikelvin konnten die Wissenschaftler den Zeitraum von Tausenden der Kippvorgänge messen und erhielten für eine optimale Konfiguration mit dem kleinsten Magnetfeld den Durchschnittswert von 57 Sekunden.
«Mit dem experimentellen Nachweis des neuen Relaxationsmechanismus haben wir unser Verständnis über die Physik der Elektronenspins in Nanostrukturen, die als Qubits eingesetzt werden sollen, wesentlich erweitert», erläutert Dominik Zumbühl. «Diese Fortschritte, den Spin besser zu kontrollieren und zu messen, sind wichtige Zwischenschritte auf dem Weg zu einem Quantencomputer», ergänzt er.
Originalbeitrag:
Leon C. Camenzind, Liuqi Yu, Peter Stano, Jeramy D. Zimmerman, Arthur C. Gossard, Daniel Loss, and Dominik M. Zumbühl
Hyperfine-phonon spin relaxation in a single-electron GaAs quantum dot
Nature Communications (2018), doi: 10.1038/s41467-018-05879-x
Externer Link: www.unibas.ch
Pressemitteilung der Universität des Saarlandes vom 21.08.2018
Drei Nachwuchswissenschaftler der Universität des Saarlandes haben ein System entwickelt, das Geisterfahrer stoppen und Unfälle verhindern kann. Für ihre solarbetriebene Erfindung, die kostengünstig in Leitpfosten am Straßenrand eingebaut wird, erhielten sie schon im Studium mehrere Preise. Mit einem EXIST-Stipendium gründen sie derzeit eine Firma. Das Saarland unterstützt ihr Vorhaben: Das Saar-Verkehrsministerium öffnet den Jung-Ingenieuren die Türen, damit das System auf die Straße kommt. Derzeit sammeln sie an saarländischen Autobahnen Massendaten, um die Software auszufeilen und zu verfeinern.
Es kommt eher selten vor, dass eine Idee das Potenzial hat, Leben zu retten. Und das sogar weltweit. Falschfahrer sind international ein Problem. Immer wieder kommt es zu Unfällen, die wegen der Wucht des Frontalaufpralls oft tödlich enden. Systeme, die abhelfen, sind meist teuer, aufwändig oder brachial – wie Krallen, die Reifen auch von Krankenwagen und Polizei platzen lassen. Und so bleiben heute Autobahnen vielerorts ungeschützt. Mit ihrem solarbetriebenen Sensorsystem liefern drei Nachwuchsforscher der Saar-Uni eine kostengünstige Lösung. Eingebaut ist es in Leitpfosten, die ohnehin am Straßenrand stehen.
„Unser Sensorsystem erkennt Falschfahrer und kann Fahrer, Polizei und Verkehrsfunk sofort warnen. Auch weitere Reaktionen können wir programmieren. So könnte etwa über ein verbundenes Leitsystem die Straße gesperrt werden“, erklärt Julian Neu (25), der das „Ghostbuster“ genannte System mit seinen Studienkollegen Daniel Gillo (27) und Benjamin Kirsch (26) während des Studiums entwickelt hat. Ihre Firma T-ProTex hat ihre Keimzelle auf dem Campus am Lehrstuhl für Mikromechanik, Mikrofluidik und Mikroaktorik von Professor Helmut Seidel.
„Unfälle mit Geisterfahrern haben wegen hoher Geschwindigkeiten oft ein besonders fatales Schadensausmaß, weshalb wir insbesondere an Autobahnauffahrten versuchen, Falschfahrer mit Schildern und Pfeilen vom falschen Weg abzubringen“, sagt die saarländische Verkehrsministerin Anke Rehlinger. „Ist der Autofahrer aber einmal falsch aufgefahren, bleibt dies meist unbemerkt, bis es zum Crash kommt. Ein Frühwarnsystem wie der Ghostbuster könnte hier eine echte Wende bringen – und im Ernstfall Leben retten.“ Sie findet die Idee so gut, dass ihr Ministerium die Weiterentwicklung der Leitpfosten unterstützt – mit dem Ziel, sie auf saarländischen Straßen zu testen. Damit wäre das Saarland Vorreiter der neuen Technik.
Nach Testläufen auf dem Campus sammeln die Gründer mit ihren Leitpfosten jetzt Daten an saarländischen Autobahnen, um die Software ihres Systems für den Praxiseinsatz auszufeilen. Das Verkehrsministerium hat hierfür alle Zuständigen im Land – vom Straßenbauamt über die Verkehrsleitstelle bis hin zur Polizei – an einen Tisch gebracht. „Es hat uns überrascht, wie viele Türen uns geöffnet werden. Wir hatten eine E-Mail an die Verkehrsministerin geschrieben und ihr unser System vorgestellt. Darauf hat sie uns eingeladen, es zu präsentieren. Als wir zu dem Termin kamen, war der Saal voller Entscheider aus den unterschiedlichsten Bereichen, die alle interessiert waren“, erzählt Julian Neu.
Mit Sensoren kommen die Jungingenieure den Geisterfahrern auf die Spur: „Ein Infrarot-Bewegungssensor erfasst pausenlos jede Bewegung im Umfeld von rund zehn bis zwölf Metern des Leitpfostens“, erklärt Benjamin Kirsch. Nähert sich ein Wagen, aktiviert dieser Sensor zwei weitere, die an den Seiten des Leitpfostens einander gegenüberliegen. Dadurch, dass das Auto erst an einem Sensor und Sekundenbruchteile später am anderen vorbeifährt, erfasst das System, in welcher Richtung das Fahrzeug fährt. „Weil nur einer der Sensoren ständig aktiv ist, der das System nur bei Bedarf aufweckt, arbeitet es sehr energiesparend“, ergänzt Daniel Gillo. Auch unterscheidet es zweifelsfrei Autos von anderen Störungen. „Ein Mikrofon erfasst hierzu Geräusche – allein das der Reifen auf dem Asphalt genügt schon“, erläutert er. Das Zusammenspiel der Sensoren ist bereits ausgereift, in vielen Tests haben die Gründer die Anordnung und die Signalverarbeitung optimiert. Mit den neuen Massendaten vorbeifahrender Autos von der Autobahn, verfeinern sie jetzt die Algorithmen, also die Befehle, die dem System exakt sagen, was es wann tun soll.
Die Idee zu ihrer Erfindung kam den Studenten nach einer Vorlesung von Professor Helmut Seidel. An seinem Lehrstuhl forschten Daniel Gillo, Julian Neu und Benjamin Kirsch als studentische Mitarbeiter schon während ihres Studiums. Jetzt hat ihre neue Firma T-ProTex in einem Raum des Lehrstuhls ihr Büro. „Das ist für unseren Start der ideale Rahmen. Der ständige Austausch mit Professoren, Wissenschaftlern und Experten etwa von der Kontaktstelle für Wissens- und Technologietransfer ist für uns Gold wert, von ihrem Know-how und ihrer Erfahrung profitieren wir sehr“, sagt Gründer Julian Neu.
Hintergrund
Mit ihrem Prototyp gewannen die Studenten 2016 den ersten Preis des Cosima-Studentenwettbewerbs in München. Ein Jahr später belegten sie beim internationalen Wettbewerb iCan in Peking den zweiten Platz. Im Juni 2017 erhielten sie den Deutschen Mobilitätspreis der Initiative „Deutschland – Land der Ideen“ und des Bundesverkehrsministeriums. Ebenfalls 2017 bewarben sie sich erfolgreich um ein EXIST-Gründerstipendium beim Bundeswirtschaftsministerium.
Externer Link: www.uni-saarland.de
Presseinformation der LMU München vom 23.08.2018
LMU-Chemiker haben ein künstliches Molekül entwickelt, das Zuckerbindungen erkennt und bindet.
Ein Team um Professor Ivan Huc, Leiter der Arbeitsgruppe „Biomimetic Supramolecular Chemistry“ an der LMU, hat eine künstliche molekulare Struktur in Form einer spiralförmigen Kapsel entwickelt und synthetisiert, die gezielt ein spezielles Zuckermolekül erkennen und „fangen“ kann: Xylobiose, wie herkömmlicher Zucker ein Disaccharid. Die Studie erscheint aktuell im Magazin Angewandte Chemie und wurde vom Herausgeber als „Very Important Paper“ ausgewählt – was nur weniger als fünf Prozent aller Veröffentlichungen des Journals vorbehalten ist.
Ivan Huc ahmt in seiner Forschung die Prinzipien der Natur auf kleinster Ebene nach – als biomimetisch wird sein Ansatz daher bezeichnet. Bei der Synthese chemischer Stoffe lässt er sich von den Prinzipien inspirieren, die der Organisation von Biopolymeren zugrunde liegen: Biopolymere wie Proteine, Nukleinsäuren und Polysaccharide bestehen typischerweise aus mehreren Untereinheiten, deren Sequenzen und räumliche Anordnung ihre strukturellen und funktionalen Eigenschaften festlegen. Ivan Huc kreiert künstliche Moleküle, Foldamere, die sich mithilfe einer Art Origami-Technik nach dem Abbild ihrer natürlichen Vorbilder formen lassen. In der aktuellen Arbeit ging es Ivan Huc zusammen mit Mitarbeitern an der Universität Bordeaux, von wo er 2017 an die LMU wechselte, darum, mit diesem Ansatz ein Foldamer zu entwickeln, das gezielt Disaccharide bindet.
Dies ist dem Team bei Xylobiose gelungen. Wie die Analyse der Kristallstruktur zeigt, fängt das Foldamer das Disaccharid in einer spiralförmigen Kapsel ein und umhüllt es vollständig. Dabei geht das Disaccharid in axialer Position eine ungewöhnlich kompakte Konstellation ein: Zwischen dem gefangenen Zucker und der Kapselwand bildet sich ein dichtes Netz aus Wasserstoffbrücken. Damit dies gelingt, hat das Team den Rezeptor so gestaltet, dass die Kapsel etwas größer ist als nötig. Die vorliegende Arbeit zeigt, mit welcher Präzision sich „first principle design“, wie Ivan Huc seinen Ansatz nennt, realisieren lässt. “Es ist uns allein aufgrund der Erkenntnisse, die wir über die grundlegenden Prinzipien der Molekülerkennung und Faltung dieser Stoffe haben, gelungen, einen spezifischen Rezeptor zu entwickeln”, sagt Ivan Huc. In einem nächsten Schritt werden die Forscher versuchen, den Mechanismus auch in einem wässrigen Medium ablaufen zu lassen. Zudem planen sie, die spiralförmigen Rezeptoren zu Sensoren zu machen, zum Beispiel um Saccharide in lebenden Systemen bestimmen und darstellen zu können.
Originalpublikation:
Angewandte Chemie 2018
Externer Link: www.uni-muenchen.de