Basler Forscher entwickeln ideale Einzelphotonenquelle

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Medienmitteilung der Universität Basel vom 08.09.2015

Physiker der Universität Basel haben mithilfe eines Halbleiter-Quantenpunktes eine neuartige Lichtquelle entwickelt, die einzelne Photonen aussendet. Erstmals ist es den Forschern gelungen, einen Strom identischer Photonen zu erzeugen. Dies berichten sie zusammen mit Kollegen der Universität Bochum in der Fachzeitschrift «Nature Communications».

Eine Einzelphotonenquelle sendet nie zwei oder mehr Photonen gleichzeitig aus. Wichtig sind einzelne Photonen in der Quanteninformationstechnologie, die beispielsweise im Quantencomputer Anwendung findet. Neben Helligkeit und Robustheit der Lichtquelle ist vor allem die Ununterscheidbarkeit der Photonen entscheidend. Das bedeutet insbesondere, dass alle Photonen die gleiche Farbe haben müssen. Eine solche Quelle von identischen Einzelphotonen zu realisieren, gestaltete sich bisher als sehr anspruchsvoll.

Vielversprechende Kandidaten für eine solche Einzelphotonenquelle sind sogenannte Quantenpunkte aus Halbleitermaterialien. Ein Quantenpunkt ist eine Ansammlung von wenigen Hunderttausend Atomen, die sich unter bestimmten Bedingungen in einem Halbleiter selbstständig formiert. Einzelne Elektronen können in solchen Quantenpunkten eingefangen und auf engstem Raum eingeschlossen werden. Das Aussenden eines einzelnen Photons erfolgt beim Zerfall eines angeregten Quantenzustandes.

Rauschen im Halbleiter

Ein Team von Wissenschaftlern um Dr. Andreas Kuhlmann und Prof. Richard J. Warburton von der Universität Basel konnten bereits in vorangegangen Veröffentlichungen zeigen, dass die Ununterscheidbarkeit der Photonen durch fluktuierende Kernspins der Atome des Quantenpunktes reduziert wird. Nun ist es ihnen erstmals gelungen die Kernspins so zu kontrollieren, dass selbst Photonen, die mit sehr grossem zeitlichem Abstand ausgesandt wurden, die gleiche Farbe aufweisen.

Einzelphotonenquellen könnten Anwendung in der Quantenkryptographie und Quantenkommunikation finden – Technologien, durch die Berechnungen möglich wären, die für heutige Computer unmöglich sind.

Die Studie wurde durch den Nationalen Forschungsschwerpunkt «QSIT – Quantenwissenschaften und -technologie» unterstützt, an dem die Universität Basel als Co-Leading House beteiligt ist.

Originalbeitrag:
Andreas V. Kuhlmann, Jonathan H. Prechtel, Julien Houel, Arne Ludwig, Dirk Reuter, Andreas D. Wieck, und Richard J. Warburton
Transform-limited single photons from a single quantum dot
Nature Communications 6:8204 (2015) | DOI: 10.1038/ncomms9204

Externer Link: www.unibas.ch

Grundlage für industriellen Einsatz von Magnesiumblechen geschaffen

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Presseinformation der HAW Landshut vom 20.08.2015

Forschungsprojekt an der Hochschule Landshut leistet wesentlichen Beitrag zur virtuellen Leichtbau-Produktentwicklung

Um das Leichtbaupotenzial von Magnesiumfeinblechen gerade im Automobilbau besser ausschöpfen zu können, wurde in einem vom Bund geförderten Forschungsprojekt an der Hochschule Landshut ein Verfahren zur Betriebsfestigkeitsanalyse für Leichtbaustrukturen aus Magnesiumknetlegierungen entwickelt. Anhand der Untersuchungsergebnisse ist eine genauere Betriebsfestigkeitsanalyse für Bauteile aus Magnesiumblechen möglich. Am Ende der dreijährigen Projekt-Laufzeit wurden beim Abschlusskolloquium Ergebnisse präsentiert, die auch in kommerzielle Betriebsfestigkeitstools einfließen werden und damit die Basis für die zuverlässige Lebensdauerberechnung von Bauteilen des Leichtbau-Werkstoffes bilden.

Die Leitung des im Rahmen des Förderprogramms „profUnt – Forschung an Fachhochschulen mit Unternehmen“ des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) mit 311.600 Euro geförderten Forschungsvorhabens „Betriebsfestigkeitsanalyse für Leichtbaustrukturen aus Magnesiumknetlegierungen – MagFest“ hatte Prof. Dr.-Ing. Otto Huber (Leiter Kompetenzzentrum für Leichtbau an der Hochschule Landshut, LLK) inne. Projektpartner waren die Adam Opel AG, CADFEM GmbH, Magnesium Flachprodukte GmbH sowie die Technische Universität Bergakademie Freiberg. Dipl.-Ing. (FH) Johannes Dallmeier, wissenschaftlicher Mitarbeiter im LLK, führte im Rahmen seiner Doktorarbeit die analytischen, numerischen und experimentellen Untersuchungen durch, wertete diese aus und entwickelte ein neues Modell zur Lebensdauerberechnung. Zusätzlich befassten sich 12 Abschlussarbeiten und 9 Projektarbeiten mit Themen der Betriebsfestigkeitsanalyse von Magnesiumblechstrukturen.

Berechenbarkeit als Voraussetzung für Nutzung

Magnesium ist mit rund 1,74 Kilogramm pro Kubikdezimeter einer der leichtesten metallischen Konstruktionswerkstoffe. Bauteile sind um ca. 30% leichter als solche aus Aluminium und bis zu 75% leichter als solche aus Stahl. Weitere Vorteile sind die nahezu unbegrenzte Verfügbarkeit und eine gute Recyclingfähigkeit. Bisher finden Magnesiumlegierungen zumeist in druckgegossenen Teilen in Motor und Getriebe Anwendung.

Der industrielle Einsatz von Magnesiumknetlegierungen in Form von Blechen befindet sich noch im Entwicklungsphase und ist aus Gründen der Wirtschaftlichkeit erst seit der Entwicklung neuer Fertigungsverfahren wie dem Gießwalzen bzw. dem Strangpressen erschwinglich. Das Verformungs- und Festigkeitsverhalten von Magnesiumfeinblechen bzw. generell Magnesiumknetlegierungen unterscheidet sich stark von dem der Magnesiumgusslegierungen. „Das Forschungsprojekt leistet einen wesentlichen Beitrag, um das Material und sein Verhalten besser verstehen, charakterisieren und berechnen zu können“, ist Prof. Dr. Huber überzeugt.

Eine Grundlage für den verstärkten Einsatz von Magnesiumfeinblechen in der industriellen Produktion bildet eine genaue Charakterisierung der Materialeigenschaften, die eine aussagekräftige numerische Betriebsfestigkeitsanalyse ermöglichen. Nur so können Schädigungsverläufe, Lebensdauer etc. simuliert und die Konstruktion bzw. Berechnung von Leichtbaustrukturen mittels Computer Aided Engineering (CAE) durchgeführt werden.

Wie sich im Vorfeld des Projektes bereits gezeigt hatte, waren für die im Forschungsvorhaben untersuchten Magnesiumknetlegierungen die verfügbaren Standard-Berechnungsmodelle nicht geeignet. Es waren deutliche Abweichung zwischen Simulation unter Verwendung herkömmlicher Berechnungsansätze und den durchgeführten Experimenten zu erkennen. „Dies, weil die spezielle Textur der Magnesiumfeinbleche, unter anderem zu einer ausgeprägten Zug-Druck-Asymmetrie sowie s-förmigen Spannungs-Dehnungs-Hysteresen führt“, wie Prof. Dr.Holger Saage (LLK) erläutert, unter dessen Leitung die Mikrostruktur der Werkstoffe analysiert wurde.

Neues Modell als Basis für virtuelle Entwicklung

Bei den untersuchten Werkstoffen handelt es sich zum einen um die Magnesiumknetlegierung AM50, welche von der Magnesium Flachprodukte GmbH über das Gießwalzverfahren zu Feinblech verarbeitet wird. Bei AM50-Feinblechen werden gegenüber der bisher verwendeten Legierung AZ31 Vorteile wie höhere Duktilität und bessere Korrosionseigenschaften bei gleichzeitig niedrigerem Preis erwartet. Die Magnesiumknetlegierung ME21, aus der über das Strangpressverfahren Feinblech hergestellt wird, diente als Vergleichswerkstoff, um den Unterschied zwischen den beiden Legierungen und Verfahren bzgl. des mechanischen Verhaltens bewerten zu können. Dabei erwies sich die Magnesiumlegierung AM50 als besonders gut geeignet für den Einsatz in der Automobilproduktion.

Johannes Dallmeier entwickelte in seiner Dissertation, betreut von Prof. Dr. Klaus Eigenfeld (Technischen Universität Bergakademie Freiberg) und Prof. Dr. Otto Huber (Hochschule Landshut), ein neues Modell zur Lebensdaueranalyse von Magnesiumknetlegierungen. Mit geeigneten mathematischen Formulierungen erzielte er eine gute Übereinstimmung zwischen Rechenmodell und Experimenten. Hierzu war eine genaue Charakterisierung bzw. die Definition von relevanten Materialparametern nötig. Er entwickelte einen „energiebasierten Schädigungsparameter“ mit gewichteten Anteilen der unterschiedlichen Dehnungsenergiedichten, mit welchem sich eine deutlich bessere Korrelation gegenüber anderen Modellen erreichen lässt.

Die Erkenntnisse der Untersuchungen werden in die Betriebsfestigkeitssoftware nCode DesignLife einfließen und so der Industrie zur Verfügung gestellt. Damit lässt sich der virtuelle Produktentwicklungsprozess auch beim Einsatz von Magnesiumknetlegierungen umsetzen. Dies stellt einen wichtigen Baustein für den Serieneinsatz dieser innovativen Leichtbaumaterialien dar.

Externer Link: www.haw-landshut.de

technologiewerte.de – MOOCblick September 2015

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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:

Exploring Humans‘ Space: An Introduction to Geographicity
Jacques Lévy (École polytechnique fédérale de Lausanne)
Start: 21.09.2015 / Arbeitsaufwand: 40 Stunden

Externer Link: www.edx.org

In acht Schritten zum Naturstoff

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Presseinformation der LMU München vom 08.09.2015

Die erste Totalsynthese von Epicolacton zeigt den biosynthetischen Ursprung des Naturstoffs und seine Nähe zum Farbstoff Purpurogallin.

Forscher um Dirk Trauner, Professor für Chemische Biologie und Genetik an der LMU, haben erstmals den Naturstoff Epicolacton biomimetisch nachgebaut. Darüber berichten sie aktuell in der Fachzeitschrift Nature Chemistry. „Uns ist eine der kürzesten und elegantesten Synthesen eines Naturstoffes gelungen“, sagt Dirk Trauner. Die LMU-Chemiker haben in einer minimalen Anzahl von Schritten eine sehr hohe molekulare Komplexität erreicht. „Das kommt in die Nähe einer idealen Synthese.“ Zudem konnte das Team um Trauner aufklären, wie Epicolacton entsteht und seine allgemeine Bedeutung aufzeigen.

Der Naturstoff Epicolacton wurde erstmals im Jahr 2012 isoliert. Er ist ein Stoffwechselprodukt des endophytischen Pilzes Epicoccum, der unter anderem tropische Nutzpflanzen wie Zuckerrohr und Kakaobäume kolonisiert. Epicolacton ist chemisch sehr komplex. Die Verbindung enthält mehrere Stereozentren und weist eine verschlungene mehrringige Struktur auf. „Wir wollten wissen, wie diese wunderschöne Struktur in der Natur entsteht. Ihre Komplexität macht es jedoch zu einer Herausforderung, diesen Naturstoff zu synthetisieren“, sagt Dirk Trauner.

Simpler Vorläufer, komplexer Stoff

Bislang war ungeklärt, wie Epicolacton gebildet wird. Die LMU-Chemiker haben festgestellt, dass das molekulare Muster von Epicolacton dem von Purpurogallin ähnelt. Purpurogallin gilt als Urform bestimmter natürlicher Farbstoffe. Er ist beispielsweise für die Färbung schwarzen Tees und verschiedener Pilze verantwortlich. Auch die Eisengallustinte, mit der bereits vor mehr als 2000 Jahren mit der Feder geschrieben wurde, verdankt ihre schwarze Farbe Purpurogallin.

„Aufgrund des Verständnisses der Entstehung von Purpurogallin ist uns dann eine biomimetische Totalsynthese gelungen. Sie beginnt bei Vanillylalkohol und führt in nur acht Schritten zu Epicolacton“, sagt Trauner. „Das ist ein weiteres Beispiel, wie sich ein strukturell komplexer Naturstoff aus einem vergleichbar einfachen Vorläufer bildet.“ Im Rahmen dieser Synthese haben die Forscher eine weitere Verbindung isoliert – Isoepicolacton – die auch in den endophytischen Pilzen vorkommen dürfte.

Die Forschungsergebnisse ermöglichen nun, Epicolacton in größerem Maßstab im Labor herzustellen. Als nächstes wollen die LMU-Chemiker den Mechanismus der chemischen Kaskade im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 749 (Intermediates of Molecular Transformations) weiter analysieren, um deren allgemeine Bedeutung noch besser zu verstehen.

Publikation:
Nature Chemistry 2015

Externer Link: www.uni-muenchen.de

Grüne Fassaden: Pflanzen als Schutz vor der Sommerhitze

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Presseaussendung der TU Wien vom 09.09.2015

Begrünte Fassaden können Energie sparen und das lokale Klima in der Stadt deutlich verbessern. An der TU Wien werden unterschiedliche Fassadenbegrünungs-Strategien erprobt, gemessen und simuliert.

Wer diesen Sommer schwitzend vor dem Ventilator verbracht hat und sich nach einer Klimaanlage sehnt, sollte sich Gedanken über eine umweltfreundliche Alternative machen: Fassadenbegrünung in der Stadt ist ein neuer Trend, der die Lebensqualität erhöhen und den Energiebedarf senken kann. An der TU Wien wird erforscht, wie das am besten gelingt. In Wien laufen derzeit mehrere Pilotprojekte.

Besseres Mikroklima

Die Bauingenieurin Prof. Azra Korjenic führt seit Jahren Messungen an Gebäuden mit begrünten Fassaden durch. „Dass Fassadenbegrünung zu Verbesserungen führt, steht mittlerweile außer Zweifel“, erklärt sie. Pflanzen haben eine regulierende Wirkung auf das Mikroklima: Im Sommer werden Innenräume und Höfe durch Fassadenbegrünung deutlich kühler, weil die Pflanzen die Konstruktion vor zu starker Erwärmung schützen und außerdem durch die Verdunstung von Wasser zur Kühlung beitragen. Im Winter schützen sie das Haus vor dem Auskühlen, außerdem filtern sie Feinstaub und verbessern die Luftqualität und schützen vor Lärm.

Korjenic ist daher überzeugt, dass sich Pflanzenbewuchs auf der Fassade durchsetzen wird – in Zukunft könnten unsere Städte viel grüner aussehen. Energiekosten für Klimaanlagen und Heizung sollen sich damit einsparen lassen. Allerdings gibt es auf diesem Gebiet noch nicht viel bautechnische Erfahrung. Daher ist es wichtig, wissenschaftlich zu untersuchen, wie Fassadenbegrünung am besten gelingen kann.

Viele verschiedene Konzepte werden derzeit getestet. Das einfachste ist, Kletterpflanzen an der Fassade wachsen zu lassen, doch es gibt auch deutlich wirkungsvollere Techniken. Man kann vor der Fassade eine zweite Fassade aus Pflanzentrögen errichten, man kann feste Fasermatten mit integriertem Substrat und Befeuchtungsanlage vor die Fassade hängen und vieles mehr. „Eine Kosten-Nutzen-Rechnung verschiedener Systeme wird gerade gemacht“, sagt Korjenic. „Welche Lösung die beste ist, hängt von den Zielvorstellungen und Präferenzen des Anwenders ab.“ Das Forschungsteam von Azra Korjenic misst Daten und entwickelt Computersimulationen, mit denen man den Einfluss verschiedener Konstruktionen auf den Wärmehaushalt eines Gebäudes berechnen kann.

Mehrere Pilotprojekte

Die Nachfrage nach dieser Expertise wächst: Derzeit laufen mehrere vielversprechende Forschungsprojekte. Das Bundesrealgymnasium in der Kandlgasse im 7. Wiener Gemeindebezirk wird im Zuge eines FFG-Projektes eine Innenraum-, Fassaden- und Dachbegrünung erhalten. Dort werden verschieden Systeme montiert, sowohl in Klassenzimmern als auch außen an der Fassade. Es wird auch Einfluss der Begrünung auf das Raumklima untersucht – auf Raumtemperatur, Raumfeuchte, CO2, Staubmenge und Schall. Das Gebäude der Magistratsabteilung 31 (Wiener Wasser) im 6. Bezirk wird ebenfalls bereits begrünt, hier wird man nun drei Jahre lang Daten erheben und analysieren. Und auch im Auftrag der Wiener Magistratsabteilung 22 (Umweltschutz) führt Azra Korjenic mit Ihren Team derzeit verschiedene Studien durch.

Technisch interessant ist auch die Kombination von Fassadenbegrünung mit Photovoltaik. Auf den ersten Blick könnte man meinen, beide Konzepte schließen einander aus, wenn nur eine begrenzte Fläche zur Verfügung steht. Doch dieses Problem lässt sich beheben: Man kann etwa über den Fenstern geneigte Solarzellen anbringen, die im Sommer für Schatten sorgen, und den Pflanzen ihren Platz lassen. Außerdem wird auch getestet, wie man transparente Solarzellen einsetzen kann, die nur einen kleinen Anteil des Sonnenlichts in elektrische Energie umwandeln und den Rest zu den Pflanzen auf der Fassade dringen lassen.

Azra Korjenic rechnet damit, dass Fassadenbegrünung immer populärer wird – nicht zuletzt wegen des Klimawandels: „Wenn die Sommer bei uns immer heißer werden, dann werden die Leute feststellen, dass es in einem kühleren Gebäude mit begrünter Fassade einfach viel angenehmer ist.“ (Florian Aigner)

Externer Link: www.tuwien.ac.at