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Computerprogramm schaut fünf Minuten in die Zukunft

Informatiker der Universität Bonn haben eine Software entwickelt, die ein paar Minuten in die Zukunft blicken kann: Das Programm lernt zunächst aus Videosequenzen die typische Abfolge von Aktionen, etwa beim Kochen. Basierend auf diesem Wissen kann es dann auch in neuen Situationen treffsicher vorhersagen, wann der Küchenchef was machen wird. Die Forscher präsentieren ihre Ergebnisse auf der weltgrößten Konferenz für digitales Sehen und Mustererkennung, die vom 19. bis 21. Juni in Salt Lake City (USA) stattfindet.

Der perfekte Butler, das weiß jeder Fan britischer Gesellschaftsdramen, hat eine besondere Fähigkeit: Er ahnt die Wünsche seines Arbeitgebers, bevor dieser sie ausspricht. Die Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Jürgen Gall möchte Computern Ähnliches beibringen: „Wir wollen Zeitpunkt und Dauer von Handlungen vorhersagen – und zwar Minuten oder sogar Stunden, bevor sie stattfinden“, erklärt er.

Ein Küchenroboter könnte dann zum Beispiel die Zutaten reichen, sobald sie gebraucht werden, rechtzeitig den Backofen vorheizen – und zwischendurch den Küchenchef warnen, wenn der einen Zubereitungsschritt zu vergessen droht. Der automatische Staubsauger wüsste derweil, dass er zu dieser Zeit in der Küche nichts zu suchen hat, und kümmert sich stattdessen ums Wohnzimmer.

Wir Menschen sind sehr gut darin, Handlungen anderer zu antizipieren. Bei Computern steckt diese Disziplin jedoch noch in den Kinderschuhen. Die Forscher am Institut für Informatik der Universität Bonn können nun aber einen ersten Erfolg vermelden: Sie haben eine selbst lernende Software entwickelt, die Zeitpunkt und Dauer künftiger Aktionen erstaunlich genau abschätzen kann – und das immerhin über Zeiträume von mehreren Minuten.

Trainingsdaten: vier Stunden Salat-Videos

Als Trainingsdaten dienten den Wissenschaftlern unter anderem 40 Videos, in denen Darsteller unterschiedliche Salate zubereiteten. Jede der Aufzeichnungen war rund 6 Minuten lang und enthielt im Schnitt 20 verschiedene Aktionen. Die Videos enthielten zudem genaue Angaben, zu welcher Zeit welche Aktion startete und wie lang sie dauerte.

Der Rechner „schaute“ sich diese insgesamt rund vier Stunden Salat-Videos an. Der Algorithmus erlernte so, welche Aktionen bei dieser Aufgabe typischerweise aufeinander folgen und wie lange diese dauern. Das ist beileibe nicht trivial: Schließlich hat jeder Koch seine individuelle Vorgehensweise. Außerdem kann die Abfolge je nach Rezept variieren.

„Danach haben wir getestet, wie erfolgreich der Lernvorgang war“, erklärt Gall. „Dazu haben wir die Software mit Videos konfrontiert, die sie zuvor noch nicht gesehen hatte.“ Immerhin passten die neuen Kurzfilme in den Kontext: Auch sie zeigten die Zubereitung eines Salats. Für den Test wurde dem Computer mitgeteilt, was in den ersten 20 oder 30 Prozent eines dieser neuen Videos zu sehen war. Auf dieser Basis musste er dann vorhersagen, was im restlichen Film passieren würde.

Das klappte erstaunlich gut. Gall: „Die Genauigkeit lag für kurze Prognose-Zeiträume bei über 40 Prozent, sank dann aber umso mehr ab, je weiter der Algorithmus in die Zukunft blicken musste.“ Bei Handlungen, die mehr als drei Minuten in der Zukunft lagen, lag der Rechner noch in 15 Prozent der Fälle richtig. Allerdings galt die Prognose auch nur dann als korrekt, wenn sowohl die Aktion als auch ihr Zeitpunkt richtig vorhergesagt wurde.

Gall und seine Mitarbeiter wollen die Studie nur als einen ersten Schritt in das neue Gebiet der Handlungsvorhersage verstanden wissen. Zumal der Algorithmus spürbar schlechter abschneidet, wenn er selber erkennen muss, was sich im ersten Teil des Videos abspielt, und das nicht gesagt bekommt. Denn diese Analyse ist nie zu 100 Prozent korrekt – Gall spricht von „verrauschten“ Daten. „Unser Verfahren funktioniert damit zwar auch“, sagt er. „Aber leider noch längst nicht so gut.“

Die Studie ist im Rahmen einer Forschergruppe entstanden, die sich der Vorhersage menschlichen Verhaltens widmet und die von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) finanziell unterstützt wird.

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Turbolader für den Lithium-Akku

Einem Team von Materialforschern aus Jülich, München und Prag gelang die Herstellung eines Verbund-Werkstoffs, der sich besonders gut für Elektroden in Lithium-Batterien eignet. Das sogenannte Nanokomposit-Material könnte nicht nur die Speicherkapazität und Lebensdauer der Batterien deutlich steigern, sondern auch ihre Ladegeschwindigkeit. Die Ergebnisse ihrer Forschung veröffentlichten die Forscher in der Fachzeitschrift Advanced Functional Materials.

Nanokomposit-Anoden als mögliche Lösung

Ob für Handy, Tablet oder Elektroauto: Lithium-Ionen-Akkus sind das Maß der Dinge. Ihre Speicherfähigkeit und Leistungsdichte sind der anderer wiederaufladbarer Batteriesysteme weit überlegen. Doch trotz aller Fortschritte halten Smartphone-Batterien nur einen Tag lang, Elektroautos brauchen Stunden zum Aufladen. Wissenschaftler arbeiten deswegen Möglichkeiten, die Energiedichten und Laderaten der Allround-Batterien weiter zu verbessern. „Ein wichtiger Faktor ist das Anodenmaterial“, erklärt Dina Fattakhova-Rohlfing vom Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK-1).

Foto: Nandiyanto

„Anoden auf der Basis von Zinndioxid können im Prinzip viel höhere spezifische Kapazitäten erreichen – also mehr Energie speichern – als zurzeit verwendete Kohlenstoff-Anoden. Denn sie haben die Fähigkeit, mehr Lithium-Ionen aufzunehmen“, so Fattakhova-Rohlfing. „Reines Zinnoxid zeigt jedoch sehr schlechte Zyklenstabilität – die Speicherfähigkeit der Batterien nimmt stetig ab, und sie können nur wenige Male wieder aufgeladen werden. Mit jedem Auf- und Entladezyklus ändert sich das Volumen der Anode, was dazu führt, dass sie zerbröselt.“

Eine Möglichkeit, diesem Problem zu begegnen, sind sogenannte Hybridmaterialien oder Nanokomposite – Verbundwerkstoffe, die Nanopartikel enthalten. Die Wissenschaftler entwickelten ein Material aus mit Antimon angereichertem Zinnoxid-Nanoteilchen, auf einer Basisschicht aus Graphen. Die Graphenbasis dient der strukturellen Stabilität und trägt gleichzeitig zur Leitfähigkeit des Materials bei. Die Zinnoxid-Teilchen haben nur eine Größe von weniger als drei Nanometern – also weniger als drei Millionstel Millimeter – und werden direkt auf das Graphen „aufgewachsen“. Durch die kleine Größe der Partikel und ihren guten Kontakt mit der Graphenschicht verbessert sich außerdem die Toleranz gegenüber Volumenänderungen – die Lithiumzelle wird stabiler und hält länger.

Dreifache Ladung in einer Stunde

„Die Anreicherung der Nanopartikel mit Antimon macht das Material außerordentlich leitfähig“, erklärt Fattakhova-Rohlfing. „Das macht die Anode viel schneller, sodass sie in nur einer Minute Ladezeit mehr als das Anderthalbfache an Energie speichern kann als mit herkömmlichen Graphit-Anoden möglich wäre – und bei der üblichen Ladezeit von einer Stunde sogar das Dreifache.“

„Bisher konnten so hohe Energiedichten nur bei niedrigen Laderaten erreicht werden“, sagt Fattakhova-Rohlfing. „Schnellere Ladezyklen führten immer auch zu einem schnellen Kapazitätsabbau.“ Die von den Wissenschaftlern entwickelten Antimon-dotierten Anoden dagegen behalten auch nach 1000 Zyklen noch 77 Prozent ihrer ursprünglichen Kapazität.

„Die Nanokomposit-Anoden können einfach und kostengünstig produziert werden. Und die angewandten Konzepte lassen sich auch für die Konstruktion anderer Anodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien verwenden“, erklärt Fattakhova-Rohlfing. „Wir hoffen, dass unsere Entwicklung damit den Weg zu Lithium-Ionen-Batterien mit einer deutlich erhöhten Energiedichte und sehr kurzer Ladezeit ebnet.“

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Sharing Economy – Wissenschaftler fordern stärkere Regulierung von Onlineplattformen

Sharing-Experte: „Airbnb oder Uber müssen stärker in die Verantwortung genommen werden, damit die Sharing Economy nachhaltiger wird“

Neue Studie zeigt Ansätze, wie große Onlineplattformen reguliert werden können und schlägt vor, öffentliche Infrastrukturen für privates Sharing bereit zu stellen

Fallbeispiele zeigen, dass unter bestimmten Voraussetzungen auch alternative Regulierungsansätze wie Selbstregulierung und Ko-Regulierung Nachhaltigkeit fördern

Die Sharing Economy wächst kontinuierlich – und mit ihr die Hoffnungen darauf, dass diese Art des Wirtschaftens Arbeitsplätze schafft, Ressourcen spart und soziale Beziehungen stärkt. Doch das Teilen über Airbnb, Uber & Co. ist nicht per se nachhaltig, es wird auch von unerwünschten Nebeneffekten begleitet – darauf weisen Wissenschaftler des Forschungsprojektes PeerSharing hin. Wie eine intelligente Regulierung der Sharing-Plattformen aussehen kann, mit der die positiven Nachhaltigkeitseffekte des Teilens gefördert und negative Effekte verhindert werden, zeigt die kürzlich erschienene Studie „Kompromisse des Teilens“, die jetzt zum Download zur Verfügung steht.

Sharing: Große Chancen und unerwünschte Effekte

Sich über privates Carsharing ein Auto zu leihen statt eines zu kaufen, ist ökologisch sinnvoll. Wie aber kann verhindert werden, dass die Carsharing-Nutzerin zusätzliche Fahrten macht, einfach weil das Leihen so einfach und günstig ist? Oder dass ein Airbnb-Gastgeber seine Wohnung nicht oder zu einem höheren Preis vermietet und dadurch gesetzliche Regelungen wie Mietpreisbremsen aushebelt? Diskriminierung, gesteigerter Konsum, die Verknappung von Wohnraum – all dies sind unerwünschte Nebeneffekte des privaten Teilens über Onlineplattformen. „Airbnb oder Uber müssen stärker in die Verantwortung genommen werden, damit die Sharing Economy nachhaltiger wird“, dieses Fazit zieht Jonas Pentzien, Sharing-Experte am Institut für ökologische Wirtschaftsforschung (IÖW).

Selbstregulierung und staatliche Maßnahmen ergänzen sich

Gemeinsam mit seinem Kollegen Dr. Jan Peuckert untersuchte er in der Studie „Kompromisse des Teilens“ verschiedene Regulierungsansätze für Onlineplattformen und deren Wirkung anhand konkreter Fallbeispiele aus den Bereichen Mobilität, Wohnen und Gebrauchtwaren.

Ein Ergebnis: Alternative Ansätze – beispielsweise die Selbstregulierung durch Bewertungssysteme oder eine Ko-Regulierung, bei der Staat und Organisationen zusammenarbeiten – können staatliche Regulierungen in einigen Aspekten sinnvoll ergänzen. So können sich Plattform-Betreiber/innen zusammenschließen und in Abstimmung mit staatlichen Behörden ökologische und soziale Mindeststandards festlegen. Gleichzeitig haben sie die Möglichkeit, Einrichtungen der freiwilligen Selbstkontrolle zu schaffen, die die Einhaltung dieser Standards effizient sicherstellen.

Von staatlicher Seite sollte generell dafür gesorgt werden, dass Sharing-Praktiken mit Nachhaltigkeitspotenzialen aktiv gefördert und Praktiken, die der Umwelt schaden unterbunden werden – beispielsweise wenn Dinge neu angeschafft werden, um sie dann auf Plattformen gewinnbringend zu verleihen. „Kommerzielle Praktiken des Teilens, die über eine gelegentliche Vermietung selbst genutzter Güter hinausgehen, sollten wie Gewerbe behandelt werden“, fordert Jonas Pentzien.

Innovative Ansätze für mehr Nachhaltigkeit

Die Autoren zeigen innovative Ansätze auf, um die großen Onlineplattformen wirkungsvoll zu regulieren, beispielsweise ein Gütesiegel für nachhaltiges Sharing oder eine aktive Nachhaltigkeitskommunikation der Sharing-Organisationen. Auch schlagen die Autoren vor, dass der Staat selbst als Anbieter in der Sharing Economy aktiv werden und nachhaltigere Sharing-Plattformen aufbauen kann. Erste Erfahrungen mit solchen Ansätzen werden derzeit in Paris und London mit einem von der Stadt organisierten Fahrrad-Verleih gesammelt.

Die Publikation zum Download: Peuckert, Jan; Pentzien, Jonas (2018): Kompromisse des Teilens – Nachhaltige Governance von Peer-to-Peer Sharing Praktiken. PeerSharing Arbeitsbericht 7.

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Quanteninformation mit Schall übertragen

Wie lässt sich Quanteninformation von einem Atom zum anderen übertragen? Ein Team der TU Wien und der Harvard University schlägt vor, Phononen zu verwenden – die Quanten des Schalls.

Mikrowellen beeinflussen die Quanten-Schalter in einem dünnen Diamantstäbchen, die dann durch Schwingungen (Phononen) miteinander gekoppelt werden.
Fotot: TU Wien
Die Quantenphysik ist dabei, einen neuen technologischen Entwicklungsschub auszulösen: Neuartige Sensoren, sichere Datenübertragungsmethoden und vielleicht sogar neuartige Computer sollen durch Quanten-Technologien möglich werden. Das entscheidende Problem daran ist allerdings, ausreichend viele Quantensysteme (etwa einzelne Atome) auf die richtige Weise miteinander zu koppeln und präzise anzusteuern.

Ein Forschungsteam der TU Wien und der Harvard University hat nun einen neuen Weg untersucht, die nötigen Quanteninformation zu übertragen: Sie schlagen vor, winzige mechanische Schwingungen einzusetzen. Die Atome werden dabei durch sogenannte Phononen miteinander gekoppelt – sie sind die kleinsten quantenphysikalischen Einheiten von Schwingungen oder Schallwellen.

Winzige Diamanten mit erwünschten Fehlern

„Wir untersuchen winzige Diamanten mit eingebauten Siliziumatomen – diese Quantensysteme gelten als besonders erfolgversprechend“, sagt Prof. Peter Rabl vom Atominstitut der TU Wien. „Normalerweise bestehen die Diamanten aus reinem Kohlenstoff, doch wenn man an bestimmten Stellen Siliziumatome einbaut, ergeben sich Fehler im Kristallgitter, an denen man Quanteninformation speichern kann.“ Die mikroskopischen Fehler im Diamantgitter lassen sich wie ein winziger Schalter verwenden und mit Hilfe von Mikrowellen zwischen einem Zustand höherer Energie und einem Zustand niedrigerer Energie hin und her schalten.

Gemeinsam mit einem Team der Universität Harvard entwickelte Peter Rabls Forschungsgruppe nun eine neue Idee, diese Quantenspeicher im Diamant kontrolliert miteinander zu koppeln: Man kann sie der Reihe nach, wie Perlen einer Perlenkette, in ein winziges Diamant-Stäbchen einbauen, mit einer Länge im Mikrometerbereich. Ähnlich wie eine Stimmgabel kann ein solches Stäbchen dann zum Schwingen angeregt werden – allerdings handelt es sich dabei um minimale Schwingungen, die nur mit Hilfe der Quantentheorie beschrieben werden können. Und mit diesen Schwingungen lassen sich die Siliziumatome quantenphysikalisch koppeln.

„Licht besteht aus Photonen, den Quanten des Lichts. Und genauso lassen sich auch mechanische Schwingungen oder Schallwellen quantenphysikalisch beschreiben: Sie bestehen aus den sogenannten Phononen, den kleinstmöglichen Einheiten von mechanischen Schwingungen“, erklärt Peter Rabl. Sich die Wie das Forschungsteam nun mit Hilfe von Simulationsrechnungen zeigen konnte, lassen sich mit Hilfe dieser Phononen beliebige Quanten-Speicher im Diamantstäbchen miteinander verbinden. Dazu werden die einzelnen Siliziumatome durch Mikrowellen „ein- und ausgeschaltet“. Sie geben dabei Phononen ab oder nehmen Phononen auf. Damit kann man eine Quanten-Verschränkung unterschiedlicher Silizium-Fehlstellen erzeugen und Quanteninformation übertragen.

Auf dem Weg zum skalierbaren Quanten-Netzwerk

Bisher war völlig unklar gewesen, ob so etwas möglich ist: „Gewöhnlich erwartet man, dass die Phononen irgendwo absorbiert werden, oder in Kontakt mit der Umgebung geraten und dadurch ihre quantenphysikalischen Eigenschaften verlieren“, sagt Peter Rabl. „Phononen sind sozusagen der Feind der Quanteninformation. Wir konnten aber durch unsere Rechnungen nun zeigen, dass mit Hilfe einer passenden Steuerung durch Mikrowellen die Phononen tatsächlich technisch nutzbar sind.“

Ein großer Vorteil der neuen Technologie liegt in ihrer Skalierbarkeit: „Es gibt viele Ideen für Quantensysteme, die sich prinzipiell technologisch nutzen lassen. Das große Problem daran ist, dass es sehr schwierig ist, ausreichend von ihnen zu vernetzen, um etwa komplizierte Rechenoperationen mit ihnen durchführen zu können“, sagt Peter Rabl. Die neue Strategie, Phononen dafür einzusetzen, könnte einen völlig neuen Weg zu einer skalierbaren Quantentechnologie ebnen.

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Bipolare Störung: Therapiehilfe per Smartphone

Menschen, die unter einer Bipolaren Störung leiden, erleben einen episodischen Wechsel zwischen depressiven Phasen, ausgeglichenem Befinden und manischen Episoden. Damit Ärzte künftig erste Anzeichen frühzeitig erkennen und diesen präventiv begegnen können, erproben Mediziner der Klinik für Psychiatrie und Psychotherapie des Universitätsklinikums Carl Gustav Carus Dresden seit Januar 2017 im Rahmen einer Studie den Einsatz einer Smartphone-App. Dazu wird die Monitoring-App „MovisensXS“ auf den Smartphones der Patienten installiert, um Nutzungsdaten des Telefons wie etwa die Anzahl der getätigten Anrufe, verschickten Nachrichten oder der getätigten Schritte an die Ärzte zu übermitteln.

Über- oder unterschreitet die Smartphone-Nutzung das für den Patienten gewöhnliche Maß, gilt dies als Alarmzeichen für eine möglicherweise bevorstehende manische beziehungsweise depressive Phase. Das Smartphone wird für die Patienten so zu einem zusätzlichen Schutzfaktor, da der behandelnde Arzt bei auffälligen Werten automatisch informiert wird und Kontakt zu seinem Patienten aufnehmen kann. Interessierten Patienten stehen derzeit noch 139 Studienplätze zur Verfügung.

„Bisher wissen wir nicht genau, wie eine Bipolare Störung entsteht“, erklärt Privatdozent Dr. Emanuel Severus, Leitender Oberarzt der Klinik für Psychiatrie und Psychotherapie und Leiter der Studie. „Fest steht jedoch, dass sich bei der Bipolaren Störung die Botenstoffe des Gehirns im Ungleichgewicht befinden. Außerdem gibt es genetische Prädispositionen, die die Wahrscheinlichkeit zu erkranken begünstigen.“ Bipolar erkrankte Patienten leiden abwechselnd unter Phasen von Depression, ausgeglichener Stimmung sowie manischen Zuständen. Während die depressive Episode durch ein Gefühl tiefer Traurigkeit, zuweilen auch Gefühllosigkeit und Inaktivität gekennzeichnet ist, führt die manische Episode zu einem Hochgefühl, gepaart mit vermehrter Energie und teils risikofreudigem Verhalten. „Die Manie ist ein toller Zustand: Man weiß alles, kann alles und hat ein enormes Selbstwertgefühl“, erklärt die 27-jährige Franziska*, die vor zwei Jahren an der Bipolaren Störung erkrankte. Nach einer ersten depressiven Phase entwickelte sich eine von ihr unbemerkte Manie, die gravierende Folgen hatte: „Nachdem meine Depression vergangen war, wurde ich wieder aktiver. Ich lernte viel fürs Studium und schrieb tolle Noten, ich übernahm den Vorsitz einer Studenteninitiative und suchte mir einen Verlag, um ein Buch zu veröffentlichen, das ich schreiben wollte. Dass ich immer unruhiger wurde, fiel mir dabei gar nicht auf.“ Schließlich verstärkte sich die Manie derart, dass Franziska* sogar Wahnvorstellungen entwickelte. Erst nach einer stationären Aufnahme in der Klinik für Psychiatrie und Psychotherapie gelang es den behandelnden Ärzten mit einer medikamentösen Therapie ein Gleichgewicht zwischen den Polen der Manie und Depression herzustellen.

Das Smartphone als Frühwarneinrichtung

„In der Regel erkranken viele Patienten wie Franziska* erstmalig zwischen dem 20. und 30. Lebensjahr“, erklärt PD Dr. Severus. „Neben medikamentöser Therapie und einer fortlaufenden ambulanten Psychotherapie ist es für die Betroffenen wichtig, die eigenen Stressoren zu kennen, die die Entwicklung einer Depression beziehungsweise Manie auslösen können. Auf diese Weise können die Patienten über ihr eigenes Verhalten selbst Prophylaxe betreiben. Außerdem ist ein intaktes soziales Umfeld sehr wichtig – nicht zuletzt um Krankheitssymptome der bipolaren Störung frühzeitig detektieren zu können.“ Um neue Episoden künftig noch frühzeitiger zu erkennen, bieten die Mediziner des Uniklinikums ihren Patienten die Teilnahme an der Studie „Ambulantes Monitoring mittels Smartphone bei Patienten mit einer Bipolaren Störung“ an. Dabei wird auf den Smartphones der Nutzer die App „MovisensXS“ installiert. Diese zeichnet fortlaufend die Nutzungsdaten des Studienteilnehmers auf und gleicht diese mit einem im Vorfeld für den Patienten als gewöhnliche Nutzung klassigizierten individuellen Profil ab. Gibt es in mindestens zwei Bereichen Auffälligkeiten – etwa weil der Patient erheblich mehr Schritte als gewöhnlich macht oder außergewöhnlich viele Nachrichten verschickt – erhält der behandelnde Arzt eine E-Mail, die ihn auf die Auffälligkeit aufmerksam macht. Für Ausnahmesituationen können Patienten einen sogenannten „Urlaubsmodus“ aktivieren, der die App pausiert. „Die App könnte einen Schutzfaktor für unsere Patienten darstellen. Neben den Terminen in der Klinik könnte nun auch ein durch verändertes Smartphone-Verhalten automatisch generiertes Warnsignal zusätzliche Sicherheit bieten. Wie zuverlässig sich beginnende depressive oder manische Episoden letztlich ermitteln und abfangen lassen, werden aber erst die Ergebnisse der Studie zeigen“, erklärt Fabrice Beier, der als Studienarzt die Patienten im Rahmen der Studie betreut.

Gemeinsam mit Unikliniken in Berlin, Frankfurt, Bochum, Tübingen und Hamburg-Eppendorf sowie den Ruppiner Kliniken sollen deutschlandweit insgesamt 180 Patienten in die Studie hinsichtlich der Wirksamkeit der Monitoring-App eingeschlossen werden. Von den Ergebnissen wird abhängig sein, ob das in der Studie untersuchte Frühwarnsystem für manische oder depressive Episoden langfristiges Potential für die reguläre Krankenversorgung aufweist. Von den bisher 41 Patienten sind allein 24 im Uniklinikum Dresden in Behandlung. Die Teilnahme der Patienten ist auf 21 Monate ausgelegt. Teilnehmer sollten über 18 Jahre alt sein und mehr als drei Krankheitsepisoden in den vergangenen fünf Jahren erlitten haben – davon mindestens eine manische Episode – sowie zur Nutzung eines Smartphones bereit sein. Für ihre Teilnahme erhalten die Probanden eine monatliche Aufwandsentschädigung, die etwa die Aufstockung des mobilen Datenvolumens auf mindestens 500 MB/Monat abdecken soll.

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Ultradünner Supraleiter

Auf dem Weg zu neuen quantenelektronischen Instrumenten

Forschern des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien Jena (Leibniz-IPHT) ist es gemeinsam mit Kollegen aus Karlsruhe, London und Moskau gelungen, erstmals einen kohärenten Quanteneffekt mit einem bei tiefen Temperaturen kontinuierlich supraleitenden Nanodraht experimentell nachzuweisen und damit einen neuen Quantendetektor zu realisieren. Der nur wenige Nanometer große Sensor öffnet eine bislang verschlossene Tür der experimentellen Quantenphysik und ermöglicht zukünftig die Erforschung völlig neuer physikalischer Instrumente in der Quantenelektronik und Quantenoptik. Die Ergebnisse publizierten die Wissenschaftler Anfang April im renommierten Fachjournal Nature Physics.

Elektronenmikroskopische Aufnahme des CQUIDS aus einem NbN-Nanodraht (links) und schematische Darstellung (rechts) mit der Bewegung des Flußquants (Φ) um eine Ladung (q).
Quelle: NPL/Leibniz-IPHT

In der Veröffentlichung beschreibt das internationale Wissenschaftler-Team ein fundamentales quantenmechanisches Experiment: der erste Nachweis des Aharonov-Casher-Effekts mit einem Niobnitrid-Nanodraht in einem CQUID-Quantensensor (Charge Quantum Interference Device). Der Effekt, den die theoretischen Physiker Yakir Aharonov und Aharon Casher bereits im Jahr 1984 postulierten, beschreibt die quantenmechanische Bewegung magnetischer Flußquanten – den kleinsten Einheiten des Magnetfelds – um elektrische Ladungen. Anwendungsmöglichkeiten sehen die Wissenschaftler unter Anderem in einem zuverlässigen Standard zur Neudefinition der Maßeinheit Ampere, in hochauflösenden photonischen Detektoren oder als Element zur Informationsverarbeitung in Quantencomputern.

CQUID – Ein neuer Quantensensor:

Der erstmals erfolgreich realisierte CQUID-Sensor ist das Gegenstück zu den seit Jahrzehnten bekannten supraleitenden Quanten-Interferenz-Detektoren (SQUIDs), deren Funktionsweise auf der quantenmechanischen Bewegung elektrischer Ladungen um magnetische Flußquanten beruht. Im Gegensatz dazu bewegen sich in den CQUIDs die magnetischen Flußquanten um elektrische Ladungen im Supraleiter. Den Aharonov-Casher-Effekt konnten Forscher experimentell bisher nur in Supraleitern mit gezielt präparierte Schwachstellen, den Josephson-Kontakten, nachweisen.

„Ob man das Phänomen ohne Josephson-Kontakte, also in einem Supraleiter ohne Schwachstellen, beobachten kann, wurde in der wissenschaftlichen Gemeinschaft bezweifelt. Es existierte bis jetzt kein geeignetes Material, welches die Flußquanten ungehindert durchdringen konnten“, erklärt Quantenphysiker Prof. Evgeni Il’ichev vom Leibniz-IPHT das wissenschaftliche Problem. Den entscheidenden Beitrag zur Realisierung des Experiments lieferten nun die ultradünnen, mittels Atomlagenabscheidung (ALD) gefertigten NbN-Schichten des Leibniz-IPHT.

ALD-Niobnitrid – Ein Material mit einzigartigen physikalischen Eigenschaften:

Die Herausforderung für die Jenaer Forscher bestand darin, ein Material zu finden, dass ein quantenmechanisches Tunneln von magnetischen Flußquanten in bestimmten Bereichen der supraleitenden Struktur des CQUIDs, den Phase-Slip-Kontakten, zulässt. „Uns fielen die besonderen strukturellen und elektrischen Eigenschaften der mittels ALD erzeugten Schichten aus Niobnitrid auf. Eine spezielle Unordnung in der Kristallstruktur der Schichten ermöglicht erst das Tunneln der Flußquanten durch die zwei Einschnürungen in der CQUID-Struktur. Das heißt, sie können eine Barriere quantenmechanisch durchdringen – ein Phänomen, das in unserer klassischen Welt nicht möglich ist“, so Dr. Sven Linzen, Physiker am Leibniz-IPHT. Dank intensiver Technologieforschung gelang es, die nur 3,3 Nanometer dicken NbN-Filme auf einen Silizium-Träger im Reinraum des Leibniz-IPHT aufzubringen. Aus ihnen präparierten die Partner um Prof. Oleg Astafiev am National Physics Laboratory (NPL) in London den neuen CQUID-Quantensensor, mit dem der Nachweis des Quanteneffekts gelang.

„Mit dem NbN-Material und dessen Herstellungstechnologie halten wir den Schlüssel zu einer bislang verschlossenen Tür der experimentellen Quantenphysik in der Hand. Wir stehen noch am Anfang, sehen die Anwendungsfelder der neuen Phase-Slip-Kontakte und Quantensensoren aber ebenso vielfältig wie die Einsatzgebiete der bekannten Josephson-Kontakte und SQUIDs. Denkbar sind die Entwicklung eines in der Elektronikindustrie dringend benötigten Standards zur präzisen Festlegung der Stromstärke in Analogie zum Josephson-Voltstandard, neue optische Detektorkonzepte oder ein Durchbruch bei der Realisierung anwendbarer Quantenbits als Grundbausteine für zukünftige Quantencomputer“, blickt Dr. Sven Linzen in die Zukunft.

Die Originalveröffentlichung mit dem Titel „Charge quantum interference device“ von Sebastian E. de Graaf, Sebastian T. Skacel, Teresa Hönigl-Decrinis, Rais Shaikhaidarov, Hannes Rotzinger, Sven Linzen, Mario Ziegler, Uwe Hübner, Hans-Georg Meyer, Vladimir Antonov, Evgeni Il’ichev, Alexey V. Ustinov, Alexander Tzalenchuk, Oleg V. Astafiev, erschien am 9. April 2018 in Nature Physics.

Das Leibniz-Institut für Photonische Technologien:

Das Leibniz-Institut für Photonische Technologien (Leibniz-IPHT) erforscht die wissenschaftlichen Grundlagen für photonische Verfahren und Systeme höchster Sensitivität, Effizienz und Auflösung. Gemäß dem Motto „Photonics for Life – from ideas to instruments“ entwickeln Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am Leibniz-IPHT maßgeschneiderte Lösungen für Fragestellungen aus den Bereichen Lebens- und Umweltwissenschaften sowie Medizin.

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Wearables und Gesundheits-Apps führen nicht zu einem besseren Gesundheitswissen

Fresenuis-Studie

In einer empirischen Arbeit der Hochschule Fresenius, Fachbereich Wirtschaft & Medien, wurde untersucht, ob es einen Zusammenhang zwischen Wearables oder Gesundheits-Apps und einem besseren Wissen über Gesundheit gibt. Dazu befragten Kölner Studierende des Studiengangs Management und Ökonomie im Gesundheitswesen (B.A.) im Rahmen einer Projektarbeit über 500 Personen.

Der Sommer naht. Für viele Menschen beginnt nun auch die Zeit, mehr Sport zu treiben und den Winterspeck abzutrainieren. Um die Motivation zu steigern oder den sportlichen Erfolg zu messen, werden immer häufiger Fitnessarmbänder, sogenannte Wearables, verwendet. Mithilfe dieser Armbänder lassen sich Schritte zählen, der Puls oder der Schlafrhythmus aufzeichnen. Laut aktueller Studien werden Wearables und Gesundheits-Apps von etwa jedem dritten Bürger genutzt – Tendenz steigend.

In einer Studie der Studierenden Laura Wagner, Kim Stephan, Natalie Neufer und Yannick Michels des Studiengangs Management und Ökonomie im Gesundheitswesen (B.A.) der Hochschule Fresenius in Köln wurde untersucht, ob Wearables nur ein Mode-Gag sind oder vielmehr Ausdruck eines sich verändernden Umgangs mit und Verständnisses von Gesundheit. Dazu wurden über 500 Personen online befragt. Die Ergebnisse bestätigen frühere Studien, dass die Nutzer von Wearables sich eher gesundheitsbewusst verhalten, also sportlich aktiver sind und auch stärker auf eine ausgewogene Ernährung achten, als Personen, die keine Fitnesstracker verwenden. Die Nutzer gaben auch mehrheitlich an, dass sich ihr Gesundheitsverhalten deutlich verbessert hat, seitdem sie ein Wearable nutzen. Frauen waren häufiger von den positiven Effekten der Wearables überzeugt als Männer. Trotz des Erfolges blieben die Nutzer offenbar nach wie vor motiviert. Sie hatten weiterhin vor, noch mehr Sport zu treiben und auf ihre Gesundheit zu achten, als Nicht-Nutzer, die eher mit ihrem Gesundheitszustand zufrieden waren.

„Erstaunlich ist jedoch, dass Träger von Wearables – obwohl sie Daten und Informationen als Grundlage für ihr Gesundheitsverhalten nutzen – nicht generell über mehr Gesundheitswissen verfügen“, erklärt Prof. Dr. Thomas Teyke, Studiendekan an der Hochschule Fresenius und Verantwortlicher der Studie. „Nutzer kennen zwar häufiger ihren Blutdruck, aber Blutzucker- und Cholesterinwerte sind nur etwa jedem fünften Nutzer bekannt, und damit nicht häufiger als den Nicht-Nutzern.“ Besonders schlecht schneiden Personen ab, wenn sie nach Krankheitsrisiken befragt werden: Weniger als jeder sechste Befragte kennt die Hauptrisiken für Herz-Kreislauferkrankungen und weniger als jeder Zehnte kennt die Risiken für die Entstehung von Lungenkrebs – unabhängig davon, ob sie ein Wearable tragen oder nicht. „Die Studie zeigt, dass die Kenntnis über gesundheitliche Risikofaktoren generell schlecht ausgeprägt ist. Aber auch die neue Affinität zu Daten durch Nutzung von Wearables und Gesundheits-Apps muss nicht zwangsläufig als Ausdruck eines sich wandelnden Umgangs und Verständnisses von Gesundheit gewertet werden“, so der Gesundheitsökonom.

Foto: Apple Watch, fancycrave1, CC0

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Organische Leuchtdioden werden heller und stabiler

Wissenschaftler der Universitat Autònoma de Barcelona und der Technischen Universität Dresden stellen eine Möglichkeit vor, die Leistungsfähigkeit von OLEDs durch die Formation sogenannter ultrastabiler Glase zu verbessern.

Organische Leuchtdioden (OLEDs) sind mittlerweile weit genug entwickelt, um erste kommerzielle Produkte erfolgreich im Markt zu etablieren. Um weitere Marktsegmente zu erschließen und insbesondere neue Anwendungsmöglichkeiten (Beleuchtung im Automotiv-Bereich, Mikrodisplays, Head-mounted-Displays, etc.) zu ermöglichen, muss die OLED Technologie in Hinblick auf deren Langzeitstabilität weiterhin verbessert und gleichzeitig die Lichtausbeute maximiert werden. Momentan erreicht man den intrinsischen Fortschritt in der Leistungsfähigkeit einzig durch kontinuierliche Materialentwicklung.

Wissenschaftler der Universitat Autònoma de Barcelona und der Technischen Universität Dresden stellen jetzt eine Möglichkeit vor, die Leistungsfähigkeit von OLEDs durch die Formation sogenannter ultrastabiler Glase zu verbessern. In ihrer gemeinsamen Veröffentlichung erschienen in dem Journal „Science Advances“ mit dem Titel ‘„High-performance organic light-emitting diodes comprising ultrastable glass layers’ layers“ zeigen die Autoren in einer detaillierten Studie, dass sowohl Effizienz als auch Betriebsstabilität für vier verschiedene phosphoreszierende Emitter deutlich erhöht werden konnten (im Mittel > 15% für beide Parameter und alle Materialien). Um diese Ergebnisse zu ermöglichen, wurden die Emissionsschichten als ultrastabile Glase hergestellt. Hierbei handelt es sich um eine Wachstumsbedingung, bei der die thermodynamisch stabilsten amorphen Festkörper entstehen.

Diese Abbildung illustriert das Wachstum von ultrastabilen und konventionellen Glasen auf der Nanometer-Skala und korreliert dieses mit den Eigenschaften von den funktionalen Schichten der organischen Leuchtdioden (OLEDs).

Diese Entdeckung ist insbesondere so bedeutsam, da dieses Konzept weder von einer Weiterentwicklung von Materialien noch einer Optimierung der Bauteilarchitektur Gebrauch macht. Beide genannten sind die konventionellen Ansatzpunkte für Leistungsverbesserungen. Das vorgestellte Konzept kann universell in jedem spezifischen OLED- Schichtstapel untersucht und optimiert werden, was durch die OLED -Industrie gleichermaßen begrüßt werden wird. Insbesondere kann die Entwicklung von TADF Emittern (TADF, engl.: thermally activated delayed fluorescence), welche momentan sehr große Aufmerksamkeit genießt, durch diesen Ansatz weiter vorangetrieben werden. Weiterhin ist es denkbar, dass die positiven Veränderungen durch das Herstellen von ultrastabilen Glasen, welche durch die Wissenschaftler auf Prozesse auf der Nanometerskala zurückgeführt werden konnte, auch auf andere grundlegende physikalische Eigenschaften (z.B. Transport, Ladungsseparation, Energietransfer) übertragen werden können.

Foto: Wachstum von ultrastabilen und konventionellen Glasen auf der Nanometer-Skala
Joan Ráfols-Ribe, Paul-Anton Will

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Schneller als die Polizei

Kein Witz, manchmal aber nur manchmal ist die Telekom schneller als die Polizei. Am 09. Februar hatten mehrere Täter versucht, die Kabel einer Alarmanlage einer Filiale der Berliner Sparkasse im Bezirk Schöneberg abzuklemmen. Dies löste Alarm bei der Deutschen Telekom aus.

Den Grund fanden die Einbrecher heraus, als die vermeintlich abgeschaltete Alarmanlage beim Betreten des Geschäfts nach um 2.30 hochging. Falsches Kabel, Pech gehabt.

Die nächste Polizeiwache ist 200 Meter entfernt. Aber als die Polizei vor Ort eintraf, war schon jemand anders da. Techniker der Telekom begannen bereits den Schaden zu untersuchen.

Trotzdem konnte die Telekom ihrem Ruf gerecht werden. Es dauerte dann doch zwei Tage, bis die Kunden wieder Netz hatten.

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„Au“ killt Apple

74 Millionen Menschen in Indien sprechen Telugu. Fast so viele wie Deutschland Einwohner hat. Nun sind US-Handys in Indien nicht so der Renner, den Markt beherrschen Huawei und Xioame. Aber Apple -User dürften sich ganz besonders freuen:

ఔ

Dieses Symbol, es entspricht in etwa dem deutschen „au“ oder dem englischen „aw“ killt Apple-Geräte.  Die italienische Seite mobileworld.it berichtete zuerst.

Foto: Kurmanatha Temple – Sreekurmam- Srikakulam -Andhrapradesh, విశ్వనాధ్.బి.కె., Attribution-Share Alike 4.0 International

 

Es betrifft iOS, watchOS und Desktop-Anwendungen.  Also die ganze Familie ist in Gefahr zu freezen, wenn Du das Zeichen in Anwendungen wie whatsapp eingibst.