Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Hoffnung für die "Spin-Elektronik"

18.02.2011
Aktuelle "Science"-Studie zeigt: DNA-Moleküle filtern Elektronen abhängig von ihrem Spin

Ein internationales Team von Wissenschaftlern hat erstmals gezeigt, dass Elektronen – abhängig von ihrem Spin – Schichten von DNA-Molekülen durchqueren können oder aufgehalten werden. Dadurch entstehen "spinpolarisierte" Elektronen mit überwiegend einheitlich orientiertem Spin, welchen man auch als "Eigendrehimpuls" bezeichnen kann.

Diese Entdeckung, die in der aktuellen Ausgabe des renommierten Fachmagazins "Science" beschrieben ist, könnte zum Beispiel bei der Herstellung schnellerer und effizienterer Computer helfen. An der Studie beteilig sind die Arbeitsgruppen der Professoren Helmut Zacharias und Friedrich Hanne vom Physikalischen Institut der Westfälischen Wilhelms-Universität (WWU) und dem Center for Nanotechnology (CeNTech) in Münster, gemeinsam mit der Gruppe von Prof. Ron Naaman am Weizmann-Institut in Israel.

"Jedes Elektron dreht sich quasi fortwährend um sich selbst", veranschaulicht Helmut Zacharias den Begriff "Spin". Der Spin kann quantenmechanisch nur zwei Orientierungen zu einer vorgegebenen Achse einnehmen: rechts oder links herum. Wenn die Elektronenspins vorwiegend eine Orientierung zeigen, werden sie als spinpolarisiert bezeichnet. In einer binären Interpretation können die zwei Orientierungen des Elektronenspins als "1" oder "0" aufgefasst werden. Da auch Computer nach dem Binärsystem rechnen, leiten Wissenschaftler daraus große Hoffnungen ab, unter Ausnutzung des Spins von Elektronen logische Operationen durchführen zu können. Diese Hoffnung hat einen neuen Forschungszweig, die Spin-Elektronik oder Spintronik, hervorgebracht. Solche Elektronik wäre verlustärmer und würde weniger Wärme entwickeln als gegenwärtige Rechner. Sie böte die Möglichkeit einer weiteren Miniaturisierung und höherer Taktraten. "Bislang hat die Sache jedoch einen Haken: Es fehlt eine geeignete Quelle spinpolarisierter Elektronen, die sich bei Zimmertemperatur in elektronische Bauteile integrieren lässt. Daher verbinden wir mit unserer neuen Entdeckung so große Hoffnungen", betont Helmut Zacharias.

Das Experiment des Forscherteams beginnt mit Elektronen, die mithilfe von Laserstrahlung aus einer dünnen Goldschicht gelöst werden. Diese Elektronen zeigen zunächst keine Vorzugorientierung des Spins. Nachdem sie durch die etwa 20 Nanometer dicke selbstorganisierte Schicht aus doppelsträngiger DNA "geflogen" sind, ist die Spinorientierung der meisten Elektronen ihrer Flugrichtung entgegen gerichtet, sie sind also spinpolarisiert. "Die Elektronen zeigen nach dem Durchtritt durch die DNA-Schicht sogar dann mehrheitlich eine Spinorientierung antiparallel zur Flugrichtung, wenn sie zuvor überwiegend einen parallel zur Flugrichtung ausgerichteten Spin besaßen", erklärt Helmut Zacharias. "Die DNA-Schicht wirkt also als sehr effektiver 'Spinfilter'."

Die Beobachtung der Forscher könnte auch Auswirkungen auf Elektronentransferprozesse in der Natur haben. Die Erbsubstanz DNA liegt in der sogenannten Doppel-Helix-Struktur vor – das heißt, sie ist schraubenartig aufgebaut, ebenso wie weitere biologisch wichtige Moleküle. Man bezeichnet sie als chiral oder händig. "Möglicherweise lässt sich die Tatsache, dass nur rechtshändige DNA und Zucker sowie nur linkshändige Aminosäuren in der Natur vorkommen, auf den von uns beobachteten Effekt zurückführen", sagt Helmut Zacharias. "Ein früher oft herangezogener Grund für die Händigkeit der Natur ist die Hypothese, dass bei radioaktivem Beta-Zerfall Elektronen mit antiparallel zur Ausbreitungsrichtung polarisiertem Spin erzeugt werden. Gerade Elektronen mit dieser Spinorientierung werden bevorzugt durch die natürliche DNA hindurch gelassen. DNA mit anderem Drehsinn würde diese Elektronen absorbieren und könnte dabei auf Dauer zerstört werden. Ob der von uns entdeckte Effekt aber tatsächlich die Händigkeit in der Natur beeinflusst, können wir mit dem jetzigen Kenntnisstand noch nicht sagen."

Literatur: Göhler B. et al. (2011): Spin Selectivity in Electron Transmission Through Self-Assembled Monolayers of Double-Stranded DNA; Science Vol. 331 no. 6019 pp. 894-897; DOI: 10.1126/science.1199339

Dr. Christina Heimken | idw
Weitere Informationen:
http://www.sciencemag.org/content/331/6019/894.full
http://www.uni-muenster.de/Physik.PI/Zach/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Forscher verwandeln Diamant in Graphit
24.11.2017 | Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY

nachricht Proton-Rekord: Magnetisches Moment mit höchster Genauigkeit gemessen
24.11.2017 | Johannes Gutenberg-Universität Mainz

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: Metamaterial mit Dreheffekt

Mit 3D-Druckern für den Mikrobereich ist es Forschern des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) gelungen ein Metamaterial aus würfelförmigen Bausteinen zu schaffen, das auf Druckkräfte mit einer Rotation antwortet. Üblicherweise gelingt dies nur mit Hilfe einer Übersetzung wie zum Beispiel einer Kurbelwelle. Das ausgeklügelte Design aus Streben und Ringstrukturen, sowie die zu Grunde liegende Mathematik stellen die Wissenschaftler in der aktuellen Ausgabe der renommierten Fachzeitschrift Science vor.

„Übt man Kraft von oben auf einen Materialblock aus, dann deformiert sich dieser in unterschiedlicher Weise. Er kann sich ausbuchten, zusammenstauchen oder...

Im Focus: Proton-Rekord: Magnetisches Moment mit höchster Genauigkeit gemessen

Hochpräzise Messung des g-Faktors elf Mal genauer als bisher – Ergebnisse zeigen große Übereinstimmung zwischen Protonen und Antiprotonen

Das magnetische Moment eines einzelnen Protons ist unvorstellbar klein, aber es kann dennoch gemessen werden. Vor über zehn Jahren wurde für diese Messung der...

Im Focus: New proton record: Researchers measure magnetic moment with greatest possible precision

High-precision measurement of the g-factor eleven times more precise than before / Results indicate a strong similarity between protons and antiprotons

The magnetic moment of an individual proton is inconceivably small, but can still be quantified. The basis for undertaking this measurement was laid over ten...

Im Focus: Reibungswärme treibt hydrothermale Aktivität auf Enceladus an

Computersimulation zeigt, wie der Eismond Wasser in einem porösen Gesteinskern aufheizt

Wärme aus der Reibung von Gestein, ausgelöst durch starke Gezeitenkräfte, könnte der „Motor“ für die hydrothermale Aktivität auf dem Saturnmond Enceladus sein....

Im Focus: Frictional Heat Powers Hydrothermal Activity on Enceladus

Computer simulation shows how the icy moon heats water in a porous rock core

Heat from the friction of rocks caused by tidal forces could be the “engine” for the hydrothermal activity on Saturn's moon Enceladus. This presupposes that...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Mathematiker-Jahrestagung DMV + GDM: 5. bis 9. März 2018 an Uni Paderborn - Über 1.000 Teilnehmer

24.11.2017 | Veranstaltungen

Forschungsschwerpunkt „Smarte Systeme für Mensch und Maschine“ gegründet

24.11.2017 | Veranstaltungen

Schonender Hüftgelenkersatz bei jungen Patienten - Schlüssellochchirurgie und weniger Abrieb

24.11.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Mathematiker-Jahrestagung DMV + GDM: 5. bis 9. März 2018 an Uni Paderborn - Über 1.000 Teilnehmer

24.11.2017 | Veranstaltungsnachrichten

Maschinen über die eigene Handfläche steuern: Nachwuchspreis für Medieninformatik-Student

24.11.2017 | Förderungen Preise

Treibjagd in der Petrischale

24.11.2017 | Biowissenschaften Chemie