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 Lasing am Limit
15.02.2018 | Technische Universität Berlin

nachricht Forschung für die LED-Tapete der Zukunft
15.02.2018 | Universität Bremen

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: Eine Frage der Dynamik

Die meisten Ionenkanäle lassen nur eine ganz bestimmte Sorte von Ionen passieren, zum Beispiel Natrium- oder Kaliumionen. Daneben gibt es jedoch eine Reihe von Kanälen, die für beide Ionensorten durchlässig sind. Wie den Eiweißmolekülen das gelingt, hat jetzt ein Team um die Wissenschaftlerin Han Sun (FMP) und die Arbeitsgruppe von Adam Lange (FMP) herausgefunden. Solche nicht-selektiven Kanäle besäßen anders als die selektiven eine dynamische Struktur ihres Selektivitätsfilters, berichten die FMP-Forscher im Fachblatt Nature Communications. Dieser Filter könne zwei unterschiedliche Formen ausbilden, die jeweils nur eine der beiden Ionensorten passieren lassen.

Ionenkanäle sind für den Organismus von herausragender Bedeutung. Wenn zum Beispiel Sinnesreize wahrgenommen, ans Gehirn weitergeleitet und dort verarbeitet...

Im Focus: In best circles: First integrated circuit from self-assembled polymer

For the first time, a team of researchers at the Max-Planck Institute (MPI) for Polymer Research in Mainz, Germany, has succeeded in making an integrated circuit (IC) from just a monolayer of a semiconducting polymer via a bottom-up, self-assembly approach.

In the self-assembly process, the semiconducting polymer arranges itself into an ordered monolayer in a transistor. The transistors are binary switches used...

Im Focus: Erste integrierte Schaltkreise (IC) aus Plastik

Erstmals ist es einem Forscherteam am Max-Planck-Institut (MPI) für Polymerforschung in Mainz gelungen, einen integrierten Schaltkreis (IC) aus einer monomolekularen Schicht eines Halbleiterpolymers herzustellen. Dies erfolgte in einem sogenannten Bottom-Up-Ansatz durch einen selbstanordnenden Aufbau.

In diesem selbstanordnenden Aufbauprozess ordnen sich die Halbleiterpolymere als geordnete monomolekulare Schicht in einem Transistor an. Transistoren sind...

Im Focus: Quantenbits per Licht übertragen

Physiker aus Princeton, Konstanz und Maryland koppeln Quantenbits und Licht

Der Quantencomputer rückt näher: Neue Forschungsergebnisse zeigen das Potenzial von Licht als Medium, um Informationen zwischen sogenannten Quantenbits...

Im Focus: Demonstration of a single molecule piezoelectric effect

Breakthrough provides a new concept of the design of molecular motors, sensors and electricity generators at nanoscale

Researchers from the Institute of Organic Chemistry and Biochemistry of the CAS (IOCB Prague), Institute of Physics of the CAS (IP CAS) and Palacký University...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Aachener Optiktage: Expertenwissen in zwei Konferenzen für die Glas- und Kunststoffoptikfertigung

19.02.2018 | Veranstaltungen

Konferenz "Die Mobilität von morgen gestalten"

19.02.2018 | Veranstaltungen

Von Bitcoins bis zur Genomchirurgie

19.02.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Die Zukunft wird gedruckt

19.02.2018 | Architektur Bauwesen

Fraunhofer HHI präsentiert neueste VR- und 5G-Technologien auf dem Mobile World Congress

19.02.2018 | Messenachrichten

Stabile Gashydrate lösen Hangrutschung aus

19.02.2018 | Geowissenschaften

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics