Elektrisch schaltbares Qubit ermöglicht Wechsel zwischen schnellem Rechnen und Speichern

Medienmitteilung der Universität Basel vom 11.01.2021

Quantencomputer benötigen zum Rechnen Qubits als elementare Bausteine, die Informationen verarbeiten und speichern. Physiker haben nun ein neuartiges Qubit realisiert, das sich von einem stabilen Ruhezustand in einen schnellen Rechenmodus umschalten lässt. Das Konzept eignet sich auch, um viele Qubits zu einem leistungsstarken Quantenrechner zu verbinden, berichten Forscher der Universität Basel und der TU Eindhoven in der Fachzeitschrift «Nature Nanotechnology».

Im Vergleich zu konventionellen Bits sind Quantenbits (Qubits) viel anfälliger auf Störungen und können ihren Informationsgehalt sehr schnell verlieren. Das Rechnen mit Quanten steht deshalb vor der Schwierigkeit, die empfindlichen Qubits über längere Zeit stabil zu halten und gleichzeitig Wege zu finden, um schnelle Quantenoperationen durchführen zu können. Physiker der Universität Basel und der TU Eindhoven haben nun ein umschaltbares Qubit entwickelt, das beides ermöglichen soll.

Das neuartige Qubit verfügt über einen stabilen, aber langsamen Zustand, der für die Speicherung der Quanteninformation geeignet ist. Über die elektrische Spannung konnten die Forscher das Qubit aber in einen viel schnelleren, dafür weniger stabilen Manipulationsmodus schalten. In diesem Zustand lassen sich mit den Qubits Informationen zügig verarbeiten.

Gezielte Kopplung einzelner Spins

In ihrem Experiment haben die Wissenschaftler die Qubits in Form von sogenannten Lochspins realisiert. Dabei handelt es sich um eine Leerstelle, die entsteht, wenn ein Elektron gezielt aus einem Halbleiter entfernt wird. Das entstehende Elektronenloch besitzt einen Spin, der zwei Zustände annehmen kann: hoch und runter – analog zu den Werten 0 und 1 bei klassischen Bits. Über die Abstimmung von Resonanzfrequenzen können diese Spins im neuen Qubit-Typ selektiv gekoppelt werden – zum Beispiel via ein Photon an andere Spins.

Diese Eigenschaft ist von grosser Bedeutung, setzt der Bau von leistungsfähigen Quantencomputern doch voraus, viele einzelne Qubits gezielt steuern und miteinander verschalten zu können. Die Fähigkeit zur Skalierung ist insbesondere nötig, um die Fehlerrate bei Quantenberechnungen zu verkleinern.

Ultraschnelle Spin-Manipulation

Mit dem elektrischen Schalter konnten die Forscher die Spin-Qubits auch in rekordhafter Geschwindigkeit manipulieren: «Der Spin lässt sich in nur einer Nanosekunde kohärent von oben nach unten drehen», so Studienleiter Prof. Dr. Dominik Zumbühl vom Departement Physik der Universität Basel. «Das würde fast eine Milliarde Schaltungen in einer Sekunde erlauben. Damit nähert sich die Spin-Qubit-Technologie den Taktraten der heutigen konventionellen Computer.»

Die Forscher verwendeten für ihre Experimente einen Halbleiter-Nanodraht aus Silizium und Germanium, der an der TU Eindhoven hergestellt wurde und dessen Durchmesser nur etwa 20 Nanometer beträgt. Entsprechend klein ist auch die Grösse des Qubits, wodurch im Prinzip Millionen oder sogar Milliarden von solchen Qubits auf einem Chip integriert werden können.

Originalpublikation:
Florian N. M. Froning, Leon C. Camenzind, Orson A. H. van der Molen, Ang Li, Erik P. A. M. Bakkers, Dominik M. Zumbühl, and Floris R. Braakman
Ultrafast hole spin qubit with gate-tunable spin–orbit switch functionality
Nature Nanotechnology (2021); doi: 10.1038/s41565-020-00828-6

Externer Link: www.unibas.ch

Thermomagnetische Generatoren wandeln Abwärme auch bei kleinen Temperaturunterschieden in Strom

Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 12.01.2021

Legierungsschichtdicke und Grundfläche beeinflussen elektrische Leistung – Publikation in Joule

Die Verwertung von Abwärme trägt wesentlich zu einer nachhaltigen Energieversorgung bei. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und der Universität Tōhoku in Japan sind dem Ziel, Abwärme bei geringen Temperaturdifferenzen in Strom zu wandeln, nun wesentlich näher gekommen. Wie sie in der Zeitschrift Joule berichtet, haben sie bei thermomagnetischen Generatoren, die auf Dünnschichten einer Heusler-Legierung basieren, die elektrische Leistung im Verhältnis zur Grundfläche um den Faktor 3,4 gesteigert. (DOI: 10.1016/j.joule.2020.10.019)

Viele technische Prozesse nutzen die für sie eingesetzte Energie nur zum Teil; der Rest verlässt das System als Abwärme. Häufig entweicht diese Wärme ungenutzt in die Umgebung. Sie lässt sich jedoch auch zur Wärmebereitstellung oder zur Stromerzeugung verwenden. Je höher die Temperatur der Abwärme, desto einfacher und kostengünstiger ihre Verwertung. Eine Möglichkeit, niedrig temperierte Abwärme zu nutzen, bieten thermoelektrische Generatoren, welche die Wärme direkt in Strom wandeln. Bisher verwendete thermoelektrische Materialien sind allerdings teuer und teilweise toxisch. Thermoelektrische Generatoren erfordern zudem große Temperaturdifferenzen für Wirkungsgrade von nur wenigen Prozent.

Eine vielversprechende Alternative stellen thermomagnetische Generatoren dar. Sie basieren auf Legierungen, deren magnetische Eigenschaften stark temperaturabhängig sind. Die wechselnde Magnetisierung induziert in einer angelegten Spule eine elektrische Spannung. Bereits im 19. Jahrhundert stellten Forschende die ersten Konzepte für thermomagnetische Generatoren vor. Seitdem hat die Forschung mit verschiedenen Materialien experimentiert. Die elektrische Leistung ließ bisher allerdings zu wünschen übrig.

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern am Institut für Mikrostrukturtechnik (IMT) des KIT sowie an der Universität Tōhoku in Japan ist es nun gelungen, die elektrische Leistung von thermomagnetischen Generatoren im Verhältnis zur Grundfläche erheblich zu steigern. „Mit den Ergebnissen unserer Arbeit können thermomagnetische Generatoren erstmals mit etablierten thermoelektrischen Generatoren konkurrieren. Wir sind damit dem Ziel, Abwärme bei kleinen Temperaturunterschieden in Strom zu wandeln, wesentlich näher gekommen“, sagt Professor Manfred Kohl, Leiter der Forschungsgruppe Smart Materials and Devices am IMT des KIT. Die Arbeit des Teams ist Titelthema in der aktuellen Ausgabe der Energieforschungszeitschrift Joule.

Vision: Abwärmenutzung nahe Raumtemperatur

Sogenannte Heusler-Legierungen – magnetische intermetallische Verbindungen – ermöglichen als Dünnschichten in thermomagnetischen Generatoren eine große temperaturabhängige Änderung der Magnetisierung und eine schnelle Wärmeübertragung. Auf dieser Grundlage basiert das neuartige Konzept der resonanten Selbstaktuierung. Selbst bei geringen Temperaturunterschieden lassen sich die Bauelemente zu resonanten Schwingungen anregen, die effizient in Strom gewandelt werden können. Doch die elektrische Leistung einzelner Bauelemente ist gering, und bei der Hochskalierung kommt es vor allem auf Materialentwicklung und Bauweise an. Die Forschenden am KIT und an der Universität Tōhoku stellten in ihrer Arbeit anhand einer Nickel-Mangan-Gallium-Legierung fest, dass die Dicke der Legierungsschicht und die Grundfläche des Bauelements die elektrische Leistung in entgegengesetzter Richtung beeinflussen. Aufgrund dieser Erkenntnis gelang es ihnen, die elektrische Leistung im Verhältnis zur Grundfläche um den Faktor 3,4 zu steigern, indem sie die Dicke der Legierungsschicht von fünf auf 40 Mikrometer erhöhten. Die thermomagnetischen Generatoren erreichten eine maximale elektrische Leistung von 50 Mikrowatt pro Quadratzentimeter bei einer Temperaturänderung von nur drei Grad Celsius. „Diese Ergebnisse ebnen den Weg zur Entwicklung maßgeschneiderter parallel geschalteter thermomagnetischer Generatoren, die das Potenzial zur Abwärmenutzung nahe Raumtemperatur besitzen“, erklärt Kohl. (or)

Originalpublikation:
Joel Joseph, Makoto Ohtsuka, Hiroyuki Miki, and Manfred Kohl: Upscaling of Thermomagnetic Generators Based on Heusler Alloy Films. Joule, 2020. DOI: 10.1016/j.joule.2020.10.019

Externer Link: www.kit.edu

Wirkt sie oder wirkt sie nicht? Neue JKU Methoden erlauben einfache Prüfung der Wirksamkeit von Mund-Nasen-Masken

Presseaussendung der JKU Linz vom 04.01.2021

Er ist wahrscheinlich das Symbol für 2020: der Mund-Nasen-Schutz. Allgegenwärtig, wenngleich in seiner Wirkung nicht unumstritten. Ob eine „Maske“ tatsächlich Schutz vor Ansteckung bietet, muss mit einem speziellen Messgerät überprüft werden. Forscher*innen der Johannes Kepler Universität Linz haben nun eine Methode entwickelt, mit der die Wirkung der MNS-Masken ebenso genau überprüft werden kann – und das weitaus einfacher und kostengünstiger.

Gesichtsmasken gibt es mittlerweile in den unterschiedlichsten Formen und Farben. Vor allem für das Gesundheitspersonal und andere systemrelevante Mitarbeiter*innen ist es wichtig zu prüfen, ob eine Maskenlieferung den Anforderungen entspricht. Die Durchlässigkeit für Aerosole wird üblicherweise mit einem Penetrometer gemessen. In diesem Gerät werden Aerosoltröpfchen von öligen Flüssigkeiten erzeugt und der Prozentsatz jener Tröpfchen gemessen, der die Maske passieren kann. Diese Geräte sind aber teuer – und teilweise schwer erhältlich. Forscher der JKU vom Institut Medizin- und Biomechatronik und dem Kepler Universitätsklinikum haben daher im Rahmen eines EU-Projekts mit ihren Kooperationspartnern eine einfache und kostengünstige Methode entwickelt, die praktisch jedem zugänglich ist.

Zur Erzeugung des Prüfaerosols wird eine handelsübliche E-Zigarette verwendet. Die Tröpfchen, die E-Zigaretten herstellen, sind mit einem Durchmesser von 300 Nanometern genau so groß, dass sie möglichst gut durch Filter und andere Barrieren durchgehen. Die Menge an Aerosoltröpfchen, die durch eine Probe des zu untersuchenden Filtermaterials gelangt, wird dann gemessen. Das kann entweder mit einer Feinwaage geschehen oder mit einem Lichtstreuungsdetektor, der aus einfachen und kostengünstigen elektronischen Komponenten gebaut wurde. Dieser Lichtstreuungsdetektor wurde eigentlich als Erstsemester-Praktikumsprojekt für die Harnanalyse von einem JKU Studierenden des Medical Engineering Studiengangs entwickelt und gebaut. Irgendwann kam die Idee: Mit diesem Detektor könnte man doch auch Aerosoltröpfchen in der Luft zählen.

Und wie zuverlässig sind diese Methoden nun? „Wir haben zahlreiche Masken getestet – von FFP3-Masken bis zu einfachen Baumwoll- oder Kunstfasertüchern“, erklären die Forscher*innen. „Das deckt eine enorme Bandbreite ab mit Durchlässigkeiten von 1-60%, wobei Baumwolle im Gegensatz zu vielen Kunstfasern eigentlich recht gut schützt“, so Institutsvorstand Prof. Werner Baumgartner.

Das Wichtigste aber: Die JKU Methode liefert Ergebnisse, die denen hochpreisiger High-End-Penetrometer entspricht. „Damit geben unsere Ansätze dem medizinischen Personal die Möglichkeit, selbst rasch zu überprüfen, ob eine Maskenlieferung den Anforderungen entspricht. Zudem kann man die Effizienz auch über die Zeit auf eventuelle Veränderungen testen. So konnte festgestellt werden, dass manche Masken mit der Tragezeit sehr schnell schlechter werden, andere halten deutlich länger“, sagt Baumgartner.

„Der Mund-Nasen-Schutz wird uns als vorbeugende Maßnahme noch längere Zeit begleiten, daher ist es enorm bedeutsam, die Wirksamkeit zuverlässig und schnell durch vor Ort entwickelte Testsysteme überprüfen zu können. Die erfolgreiche Forschungsarbeit von Prof. Baumgartner und seinem Team zeigt beispielhaft, welches Potenzial in der Zusammenarbeit von Medizin und Mechatronik liegt“, sagt Bernd Lamprecht, Vorstand der Klinik für Lungenheilkunde am Kepler Universitätsklinikum und Vizestudiendekan der Medizinischen Fakultät der Johannes Kepler Universität Linz.

Mehrere Beispiele über die Verwendung von fehlerhaften Masken und die daraus resultierenden Gesundheitsrisiken zeigen, dass einfache, schnelle, preiswerte und breit verfügbare Methoden zur Filtercharakterisierung enorm nützlich sein können, auch wenn die Corona-Pandemie irgendwann kein Thema mehr sein sollte.

Eine Publikation, die diese Methode beschreibt, wurde als Preprint publiziert, ist bei einem renommierten Magazin eingereicht und befindet sich derzeit in Begutachtung. (Sonja Raus)

Externer Link: www.jku.at

Hartmagnetische Schichten für die hochpräzise Mikroskopie

Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 04.01.2021

Im Kampf gegen das Coronavirus kommt der Mikroskopie ein besonderer Stellenwert zu: Spezial-Mikroskope sind ein unverzichtbares Hilfsmittel bei der Darstellung kleinster Zellstrukturen. Sie helfen, die Entwicklung von Impfstoffen und Therapien voranzutreiben. Dabei sind die Anforderungen an die optische Auflösung der Mikroskope und die Präzision der Mikroskoptische enorm. Hartmagnetische Schichten des Fraunhofer-Instituts für Schicht- und Oberflächentechnik IST tragen dazu bei, kleinste Zellstrukturen sehr schnell und genau zu erfassen.

Mikroskop- und Labortechnik sind ein unverzichtbares Hilfsmittel im Kampf gegen Viren und Bakterien. Sie unterstützen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler bei der Suche nach Impfstoffen und Therapien, etwa gegen SARS-CoV-2. Am Fraunhofer IST in Braunschweig entwickeln Forscherinnen und Forscher hartmagnetische CoSm-Schichten (kurz für Kobalt-Samarium) für magnetische Maßstäbe. Diese Bänder werden in den Mikroskoptischen der Dr. ITK Kassen GmbH eingesetzt. Im Zusammenspiel mit Sensoren und einem Auswertealgorithmus erhöhen sie die Positioniergenauigkeit des Mikroskoptischs, auf dem die Probe zur Beobachtung abgelegt wird. »Biologisches Material wie Zellen können sich bewegen, daher muss ich Positionen bis auf den Mikrometer präzise anfahren können«, sagt Dr. Ralf Bandorf, Wissenschaftler am Fraunhofer IST. Die Mikroskoptische, die mit der magnetischen Positionierung arbeiten, lassen sich sehr kompakt bauen – sie werden in Mikroskopen von namhaften Herstellern wie Leica oder Zeiss eingesetzt. Die CoSm-Schichten wurden in enger Zusammenarbeit mit dem Industriepartner entwickelt.

Positionsauflösung im Nanometerbereich

Das Team rund um Dr. Bandorf bringt die CoSm-Schichten auf unmagnetische Metallbänder auf, sprich diese erhalten eine definierte magnetische Struktur bzw. Funktionsschicht, die sich mit einem Signalmuster codieren und per Sensor auslesen lässt, um eine Positionsbestimmung vornehmen zu können. »Im Zusammenspiel mit den integrierten Sensoren, die die Signale auslesen, ermöglichen unsere Schichten das Anfahren von Positionen bis auf fünf Nanometer genau«, so der Ingenieur. Die Tische ermöglichen durch das integrierte Messsystem eine Absolutbestimmung der Position, ohne Referenzierung. Wiederholgenauigkeiten von plus/minus 100 Nanometer sind erreichbar. Dies ist besonders bei der Untersuchung von lebenden Objekten wichtig, wo die Untersuchungszeit oftmals knapp und ein schnelles Positionieren daher essentiell ist.

Die Schichten ersetzen galvanische Kobaltschichten, für die umweltschädliche Chemikalien benötigt werden. Sie zeichnen sich durch ihre Robustheit und Langlebigkeit sowie durch besonders gute magnetische Eigenschaften aus: Sie ermöglichen ein stärkeres magnetisches Signal und berührungsloses Messen. Auch kann man in geschlossenen Bauteilen wie etwa Hydraulikzylindern messen, an die optische Systeme nicht gelangen.

Anders als reine Kobaltschichten sind die CoSm-Schichten nicht so leicht ummagnetisierbar und unempfindlich gegenüber Störfeldern. Außerdem lassen sich sehr feine Schichtdicken erzielen. Darüber hinaus erlauben sie auch das Messen in verschmutzten Bereichen. Aber auch Winkelpositionen und Radialbewegungen lassen sich messen. Dies ist in Robotikanwendungen relevant – etwa in der Automobilbranche. »Bringt man eine kompakte CoSm-Schicht direkt auf das Bauteil wie ein Kugellager auf, kann man zusätzliche Informationen erhalten«, erklärt Bandorf. Auch im Bereich der Elektromobilität steigt die Nachfrage nach hochgenauen magnetischen Messsystemen.

Umweltfreundliches Beschichtungsverfahren

Die CoSm-Schichten werden mit einer am IST entwickelten Technologie, dem Hohlkathoden-Gasfluss-Sputtern, einem Vakuumbeschichtungsverfahren hergestellt. Anders als bei galvanischen Verfahren kommen hier keine Schadstoffe zum Einsatz.

Externer Link: www.fraunhofer.de