Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Forscher kontrollieren Spin-Fluktuationen in Echtzeit

26.08.2013
Physiker der Universität Basel haben eine neue Methode entwickelt, mit der sich der Spin von Atomkernen auch in extrem kleinen Materialproben ausrichten lässt.

Damit lässt sich die Empfindlichkeit von Magnetresonanztomographie im Nanometerbereich steigern, was 3D-Aufnahmen von kleinsten Objekten erlaubt, die bisher nicht möglich waren. Dies berichten die Forscher zusammen mit niederländischen Kollegen in der Fachzeitschrift «Nature Physics».

Viele der Elemente wie Wasserstoff oder Phosphor, aus denen die Materie um uns herum besteht, enthalten einen magnetischen Kern in der Mitte eines jeden Atoms. Dieser Kern verhält sich wie ein winziger Magnet mit einem Nord- und einem Südpol. Durch Anlegen eines grossen Magnetfelds richten sich die Pole dieser Kerne entlang des Magnetfeldes aus, wodurch eine geordnete Ausrichtung, eine sogenannte Kernspinpolarisation, entsteht.

Wenn die Kerne mit Radiowellen in einer bestimmten Frequenz bestrahlt werden, ändern sie ihre Richtung vom Magnetfeld weg. Weil sie magnetisch sind, beginnen sie sich aber wieder zurückzudrehen und geben die Energie frei, die sie zuvor durch die Radiowellen aufgenommen hatten. Mit einer speziellen Antenne können diese Signale erfasst werden.

Dieses Verfahren wird als magnetische Kernresonanz bezeichnet und liefert wertvolle Informationen zur Struktur oder zur chemischen Zusammensetzung eines Prüfobjekts. Das Verfahren bildet auch die Grundlage für die Magnetresonanztomographie (MRI), welche 3D-Bilder der Dichte eines Objekts erstellen kann und in der medizinischen Diagnostik oft eingesetzt wird.

Natürliche Schwankungen bei sehr kleinen Objekten
Bei sehr kleinen Objekten, die kleiner als eine einzelne Zelle sind und daher nur eine geringe Anzahl von Kernen aufweisen, sind jedoch die natürlichen Schwankungen der Kernspinpolarisation grösser als die Polarisation, die durch das magnetische Feld erzeugt wird. Diese Abweichungen, sogenanntes «Spin Noise», ist in extrem kleinen Massstäben so dominant, dass es sehr schwierig ist, die Kernspinresonanz zu messen und mit MRI zu untersuchen.

Zusammen mit Wissenschaftlern der Technischen Universitäten in Eindhoven und Delft hat nun ein Team um Prof. Martino Poggio von der Universität Basel eine Methode entwickelt, mit der sich eine Polarisierung dieser zufälligen Schwankungen erzeugen lässt. Durch die Überwachung, Steuerung und Erfassung statistischer Spinfluktuationen konnten die Forscher Polarisationen erzeugen, die viel grösser sind als die, welche durch das Anlegen eines Magnetfeldes hervorgerufen werden. Die Forscher sind die ersten, die solche Schwankungen in Echtzeit manipulieren, kontrollieren und erfassen können.

Die Ergebnisse sind von unmittelbarer Bedeutung für jüngste technische Entwicklungen, durch welche die Volumen, die sich mittels Kernspinresonanz -Messungen untersuchen lassen, stark reduziert werden konnten. «Ein besseres Verständnis dieser Phänomene kann zu neuen, hochauflösenden bildgebenden Verfahren im Nano- und atomaren Bereich führen», erklärt Poggio, Argovia-Professor für Nanotechnologie am Swiss Nanoscience Institute. Das in Basel entwickelte Verfahren könnte einen möglichen Weg zur Verbesserung der Empfindlichkeit der Magnetresonanz-Bildgebung im Nanometerbereich darstellen oder gegebenenfalls auch für die Entwicklung von Festkörper-Quantencomputern nützlich werden.

Perspektive auf den Quantencomputer
Durch die Fähigkeit, die natürlichen Schwankungen in der Kernspinpolarisation zu reduzieren, könnte sich die Methode auch eignen, um die Kohärenzzeit von Festkörper-Qubits zu verbessern. Qubits sind Einheiten der Quanteninformation, welche in Quantencomputern zur Anwendung kommen sollen. Festkörper-Qubits sind sehr anfällig: Selbst winzige Schwankungen in der Kernpolarisation zerstören die quantenmechanische Kohärenz. Wenn es gelingt, diese Schwankungen zu kontrollieren, lässt sich die Kohärenzzeit verlängern. Die Kontrolle der fragilen Quantenzustände bildet eine wichtige Voraussetzung für die Realisierung eines Quantencomputers.

Die Studie wurde durch den Kanton Aargau, den Schweizerischen Nationalfonds, das Swiss Nanoscience Institute (SNI) und den Nationalen Forschungsschwerpunkt Quantum Science and Technology (QSIT) unterstützt.

Originalbeitrag
P. Peddibhotla, F. Xue, H. I. T. Hauge, S. Assali, E. P. A. M. Bakkers, M. Poggio
Harnessing nuclear spin polarization fluctuations in a semiconductor nanowire
Nature Physics (2013) | doi: 10.1038/nphys2731
Weitere Auskünfte
Prof. Martino Poggio, Universität Basel, Departement Physik, Tel. +41 61 267 37 61, E-Mail: martino.poggio@unibas.ch

Christoph Dieffenbacher | Universität Basel
Weitere Informationen:
http://www.unibas.ch
http://www.nature.com/nphys/journal/vaop/ncurrent/full/nphys2731.html -

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Planeten außerhalb unseres Sonnensystems: Bayreuther Forscher dringen tief ins Weltall vor
23.02.2017 | Universität Bayreuth

nachricht Kühler Zwerg und die sieben Planeten
23.02.2017 | ESO Science Outreach Network - Haus der Astronomie

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Kühler Zwerg und die sieben Planeten

Erdgroße Planeten mit gemäßigtem Klima in System mit ungewöhnlich vielen Planeten entdeckt

In einer Entfernung von nur 40 Lichtjahren haben Astronomen ein System aus sieben erdgroßen Planeten entdeckt. Alle Planeten wurden unter Verwendung von boden-...

Im Focus: Mehr Sicherheit für Flugzeuge

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem totalen Triebwerksausfall zum Einsatz kommt, um den Piloten ein sicheres Gleiten zu einem Notlandeplatz zu ermöglichen, und ein Assistenzsystem für Segelflieger, das ihnen das Erreichen größerer Höhen erleichtert. Präsentiert werden sie von Prof. Dr.-Ing. Wolfram Schiffmann auf der Internationalen Fachmesse für Allgemeine Luftfahrt AERO vom 5. bis 8. April in Friedrichshafen.

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem...

Im Focus: HIGH-TOOL unterstützt Verkehrsplanung in Europa

Forschung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) unterstützt die Europäische Kommission bei der Verkehrsplanung: Anhand des neuen Modells HIGH-TOOL lässt sich bewerten, wie verkehrspolitische Maßnahmen langfristig auf Wirtschaft, Gesellschaft und Umwelt wirken. HIGH-TOOL ist ein frei zugängliches Modell mit Modulen für Demografie, Wirtschaft und Ressourcen, Fahrzeugbestand, Nachfrage im Personen- und Güterverkehr sowie Umwelt und Sicherheit. An dem nun erfolgreich abgeschlossenen EU-Projekt unter der Koordination des KIT waren acht Partner aus fünf Ländern beteiligt.

Forschung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) unterstützt die Europäische Kommission bei der Verkehrsplanung: Anhand des neuen Modells HIGH-TOOL lässt...

Im Focus: Zinn in der Photodiode: nächster Schritt zur optischen On-Chip-Datenübertragung

Schon lange suchen Wissenschaftler nach einer geeigneten Lösung, um optische Komponenten auf einem Computerchip zu integrieren. Doch Silizium und Germanium allein – die stoffliche Basis der Chip-Produktion – sind als Lichtquelle kaum geeignet. Jülicher Physiker haben nun gemeinsam mit internationalen Partnern eine Diode vorgestellt, die neben Silizium und Germanium zusätzlich Zinn enthält, um die optischen Eigenschaften zu verbessern. Das Besondere daran: Da alle Elemente der vierten Hauptgruppe angehören, sind sie mit der bestehenden Silizium-Technologie voll kompatibel.

Schon lange suchen Wissenschaftler nach einer geeigneten Lösung, um optische Komponenten auf einem Computerchip zu integrieren. Doch Silizium und Germanium...

Im Focus: Innovative Antikörper für die Tumortherapie

Immuntherapie mit Antikörpern stellt heute für viele Krebspatienten einen Erfolg versprechenden Ansatz dar. Weil aber längst nicht alle Patienten nachhaltig von diesen teuren Medikamenten profitieren, wird intensiv an deren Verbesserung gearbeitet. Forschern um Prof. Thomas Valerius an der Christian Albrechts Universität Kiel gelang es nun, innovative Antikörper mit verbesserter Wirkung zu entwickeln.

Immuntherapie mit Antikörpern stellt heute für viele Krebspatienten einen Erfolg versprechenden Ansatz dar. Weil aber längst nicht alle Patienten nachhaltig...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Big Data Centrum Ostbayern-Südböhmen startet Veranstaltungsreihe

23.02.2017 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - April 2017

23.02.2017 | Veranstaltungen

Wie werden wir gesund alt? - Alternsforscher tagen auf interdisziplinärem Symposium in Magdeburg

23.02.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Heinz Maier-Leibnitz-Preise 2017: DFG und BMBF zeichnen vier Forscherinnen und sechs Forscher aus

23.02.2017 | Förderungen Preise

Big Data Centrum Ostbayern-Südböhmen startet Veranstaltungsreihe

23.02.2017 | Veranstaltungsnachrichten

Planeten außerhalb unseres Sonnensystems: Bayreuther Forscher dringen tief ins Weltall vor

23.02.2017 | Physik Astronomie