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 Biophysik - Blitzlicht aus der Nanowelt
24.04.2018 | Ludwig-Maximilians-Universität München

nachricht Moleküle brillant beleuchtet
23.04.2018 | Max-Planck-Institut für Quantenoptik

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: BAM@Hannover Messe: Innovatives 3D-Druckverfahren für die Raumfahrt

Auf der Hannover Messe 2018 präsentiert die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), wie Astronauten in Zukunft Werkzeug oder Ersatzteile per 3D-Druck in der Schwerelosigkeit selbst herstellen können. So können Gewicht und damit auch Transportkosten für Weltraummissionen deutlich reduziert werden. Besucherinnen und Besucher können das innovative additive Fertigungsverfahren auf der Messe live erleben.

Pulverbasierte additive Fertigung unter Schwerelosigkeit heißt das Projekt, bei dem ein Bauteil durch Aufbringen von Pulverschichten und selektivem...

Im Focus: BAM@Hannover Messe: innovative 3D printing method for space flight

At the Hannover Messe 2018, the Bundesanstalt für Materialforschung und-prüfung (BAM) will show how, in the future, astronauts could produce their own tools or spare parts in zero gravity using 3D printing. This will reduce, weight and transport costs for space missions. Visitors can experience the innovative additive manufacturing process live at the fair.

Powder-based additive manufacturing in zero gravity is the name of the project in which a component is produced by applying metallic powder layers and then...

Im Focus: IWS-Ingenieure formen moderne Alu-Bauteile für zukünftige Flugzeuge

Mit Unterdruck zum Leichtbau-Flugzeug

Ingenieure des Fraunhofer-Instituts für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) in Dresden haben in Kooperation mit Industriepartnern ein innovatives Verfahren...

Im Focus: Moleküle brillant beleuchtet

Physiker des Labors für Attosekundenphysik, der Ludwig-Maximilians-Universität und des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik haben eine leistungsstarke Lichtquelle entwickelt, die ultrakurze Pulse über einen Großteil des mittleren Infrarot-Wellenlängenbereichs generiert. Die Wissenschaftler versprechen sich von dieser Technologie eine Vielzahl von Anwendungen, unter anderem im Bereich der Krebsfrüherkennung.

Moleküle sind die Grundelemente des Lebens. Auch wir Menschen bestehen aus ihnen. Sie steuern unseren Biorhythmus, zeigen aber auch an, wenn dieser erkrankt...

Im Focus: Molecules Brilliantly Illuminated

Physicists at the Laboratory for Attosecond Physics, which is jointly run by Ludwig-Maximilians-Universität and the Max Planck Institute of Quantum Optics, have developed a high-power laser system that generates ultrashort pulses of light covering a large share of the mid-infrared spectrum. The researchers envisage a wide range of applications for the technology – in the early diagnosis of cancer, for instance.

Molecules are the building blocks of life. Like all other organisms, we are made of them. They control our biorhythm, and they can also reflect our state of...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

infernum-Tag 2018: Digitalisierung und Nachhaltigkeit

24.04.2018 | Veranstaltungen

Fraunhofer eröffnet Community zur Entwicklung von Anwendungen und Technologien für die Industrie 4.0

23.04.2018 | Veranstaltungen

Mars Sample Return – Wann kommen die ersten Gesteinsproben vom Roten Planeten?

23.04.2018 | Veranstaltungen

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

RWI/ISL-Containerumschlag-Index auf hohem Niveau deutlich rückläufig

24.04.2018 | Wirtschaft Finanzen

BAM@Hannover Messe: Innovatives 3D-Druckverfahren für die Raumfahrt

24.04.2018 | HANNOVER MESSE

infernum-Tag 2018: Digitalisierung und Nachhaltigkeit

24.04.2018 | Veranstaltungsnachrichten

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