Ringlaser für exakte Navigation
←
→
Transkription von Seiteninhalten
Wenn Ihr Browser die Seite nicht korrekt rendert, bitte, lesen Sie den Inhalt der Seite unten
Das Wissenschaftsmagazin der Technischen Universität München
Juni 2012 Ausgabe 10
Ringlaser
für exakte Navigation
Die feinen Unterschiede: Genanalysen für schnellere Züchtungserfolge
Computervisionen: Maschinen lernen menschliche Sehfähigkeiten
Überraschende Physik mit einfachen Mitteln: Magnetwirbel eröffnen neue Elektronik
Schutzgebühr
9,- Euro
Das Auto hat eine lange Geschichte.
Und seine Zukunft hat gerade begonnen.
Deutschland geht neue Wege. Mit Antworten für nachhaltige Mobilität.
Der Bedarf an Mobilität wächst und damit der Ausstoß von Siemens arbeitet in Feldversuchen in Berlin, Erlangen und
CO2 – insbesondere in den städtischen Ballungsräumen. München an Ladesäulen, Bezahlsystemen und dem elek-
Jeden Tag pendeln 40 Millionen Deutsche zur Arbeit, zwei trischen Antrieb für das Auto von morgen. Und an einem
Drittel mit dem Auto. Die Antwort der Verkehrsplaner sind Stromnetz, das ermöglicht, die Batterien von Elektroautos
ganzheitliche Konzepte, die alle Verkehrsmittel intelligent als Speicher für erneuerbare Energien aus Wind und Sonne
vernetzen. Dabei wird das Auto auch künftig eine wichtige zu nutzen. So verbessern Elektroautos selbst dann das
Rolle spielen. Nur wird es klimafreundlicher. Klima, wenn sie in der Garage stehen.
1 Million Elektroautos sollen nach den Plänen der Bundes- Die Antworten für die Mobilität der Zukunft sind da. Und
regierung bis 2020 auf unseren Straßen fahren. Und unsere die Zeit für neue Wege ist jetzt. Denn die Welt von morgen
Städte sauberer und lebenswerter machen. Die Vorausset- braucht unsere Antworten schon heute.
zungen dafür werden zurzeit an vielen Orten geschaffen.
siemens.com /answers
Editorial
Am 15. Juni 2012 verkündeten die Deutsche Forschungsgemeinschaft und der
Wissenschaftsrat, dass wir das Prädikat der Exzellenzuniversität erfolgreich ver-
teidigt haben. Wenn wir uns über den neuerlichen Erfolg freuen, dann gilt unser
Respekt heute auch unseren Vorgängern, auf deren Schultern wir stehen. Da-
rauf haben wir in der jüngeren Vergangenheit ein Reformwerk gesetzt, das uns
im internationalen Wettbewerb stark positioniert hat. Eine besondere Stärke der
TUM ist ihr Gemeinschaftssinn. Kultivieren wir ihn auch in der Forschung, deren
Spitzenergebnisse fast immer Gemeinschaftserlebnisse sind!
Unser Zukunftskonzept TUM. THE ENTREPRENEURIAL esse bearbeiten. Ob Technologien für künftige Elektroau-
UNIVERSITY erhielt besonders mit seinem einzigartigen tos, ob effizientere Züchtung durch Genanalysen oder gar
Karrieresystem für Nachwuchswissenschaftler Bestnoten. Krebsmedikamente, die tief im Innern der Zelle ansetzen
Im Rahmen der Exzellenzinitiative schaffen wir auch neue, und nur auf erkranktes Gewebe wirken – bei jedem die-
integrierte Forschungszentren, die sich mit globalen Fra- ser Themen fällt die Relevanz für unser aller Leben von
gen wie Energie oder Ernährung befassen, zu deren Beant- heute und morgen auf. Dies gilt auch für die Grundlagen-
wortung Wissenschaftler vieler Fachrichtungen beitragen. forschung an magnetischen Strukturen für eine bessere
Konsequent ausgebaut werden die Munich School of En- Datenverarbeitung, für Techniken, mit denen Maschinen
gineering und das TUM Institute for Advanced Study. Drei ihre Umwelt ähnlich gut erfassen können wie der Mensch,
Münchner Exzellenzcluster gehen in die zweite Runde, und oder für die hochgenaue Positionsbestimmung von GPS-
als vierter kommt der neurowissenschaftliche Forschungs- Satelliten mithilfe eines Ringlasers tief unter dem Bayeri-
cluster SyNergy hinzu (LMU & TUM). Auch unsere TUM schen Wald.
INTERNATIONAL GRADUATE SCHOOL OF SCIENCE AND
ENGINEERING (IGSSE) fand den Beifall der Gutachter. Sie Eine der drängenden Herausforderungen unserer Zeit ist
gilt als Modell für die fakultätsübergreifende, strukturierte die Energiewende. Noch nie hatten wir so viele Zuschrif-
Doktorandenausbildung. ten auf einen Beitrag wie zu dem Streitgespräch zwischen
Martin Faulstich und Hans-Werner Sinn im letzten Heft.
Doch jetzt geht die Arbeit weiter. In der neuen Ausgabe Deshalb führt Thomas Hamacher vom Lehrstuhl für Ener-
unseres Wissenschaftsmagazins stellen wir Ihnen wieder giewirtschaft aus, wie die Politik die erfolgreiche Umset-
aufsehenerregende Projekte vor, indem wir den großen zung der Energiewende unterstützen kann.
Bogen von einem weltweit einzigartigen Ringlaser bis hin
zur Züchtungsforschung schlagen. Diese Projekte stehen Patrick Aebischer, Präsident der École Polytechnique Fédé-
für die wichtigen Zukunftsthemen, die Ihre TUM als lang- rale de Lausanne (EPFL), kommentiert die Schlüsselattribu-
fristige Strategie im Fokus hat: Gesundheit und Ernährung, te einer erstrangigen Universität. Seine Ausführungen ma-
Energie und Rohstoffe, Umwelt und Klima, Information und chen verständlich, warum EPFL und TUM in der EuroTech
Kommunikation sowie Mobilität und Infrastruktur. Jeder Universities Alliance zusammengeschlossen sind.
der Beiträge im Magazin gibt Ihnen einen kleinen Eindruck
aus der Fülle wissenschaftlich anspruchsvoller Fragestel- Eine spannende Reise in die Spitzenforschung der TUM
lungen, die wir in einem gesellschaftlichen Gesamtinter- wünscht Ihnen auch heute wieder
Prof. Wolfgang A. Herrmann
Präsident
Faszination Forschung 10 / 12 3
In dieser Ausgabe
Seite 72 Seite 6
Nanoteilchen als Die feinen
optische Werkzeuge Unterschiede
Seite 16 Seite 60
Überraschende Computervisionen
Physik
Schnelle Datenspeicherung: Bestimmte magnetische Computer lernen sehen: Mit Programmen von TUM For-
Strukturen könnten eine völlig neue Elektronik eröffnen schern können Maschinen Situationen visuell erfassen
Titelgeschichten Forschung und Technik
Mercep / TUM; Fotos / Darstellungen Reihe unten: Naeser, MPI für Quantenoptik; Dr.
Fotos / Darstellungen Reihe oben: ediundsepp; Heddergott / TUM; ediundsepp;
Die feinen Unterschiede Simuliertes Gewimmel
Genanalysen führen zu schnelleren Ein Simulationsprogramm berechnet,
Züchtungserfolgen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 wie sich Menschenmassen bewegen . . . . . . . . . . . . . . . 50
Überraschende Physik mit einfachen Mitteln Die letzte Instanz vor dem Tod einer Zelle Thomas Pock (TU Graz) und Prof. Daniel Cremers; Heddergott
Grundlagenforschung an Magnetwirbeln könnte Das Protein XIAP als Schlüssel für neue
die Datenspeicherung voranbringen . . . . . . . . . . . . . . . . 16 Krebsmedikamente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
Ringlaser für exakte Navigation Reaktionslawine am Ursprung des Lebens
Ein weltweit einzigartiger Ringlaser bestimmt Der Ursprung des Lebens im Labor . . . . . . . . . . . . . . . . 71
Position und Neigung der Erde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
Nanoteilchen als optische Werkzeuge
Computervisionen Künstliche DNA-Struktur modifiziert Licht . . . . . . . . . . . 72
Computer lernen, ihre Umgebung auf einen
Blick zu erfassen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 Das Fahrzeug der Zukunft
Innovative Technologien für die Elektromobilität . . . . . . . 76
4 Faszination Forschung 10 / 12
In dieser Ausgabe
Seite 52 Seite 76
XIAP: Die letzte Instanz Das Fahrzeug
vor dem Tod einer Zelle der Zukunft
Seite 36
Titelgeschichte:
Ringlaser für exakte Navigation
Exakte Positionsbestimmung: Am Geodätischen Observatorium in Wettzell im Bayerischen Wald misst ein weltweit ein-
zigartiger unterirdischer Ringlaser hochgenau die Position und die Neigung der Erde
Rubriken Weise Worte der Wissenschaft
Editorial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 Marie Curie (1867 – 1934)
Ich gehöre zu denen, die die besondere Schönheit
In eigener Sache des wissenschaftlichen Forschens erfasst haben:
TU München geht erfolgreich in die zweite Ein Gelehrter in einem Laboratorium ist nicht nur ein
Runde der Exzellenzinitiative 2012 – 2017 . . . . . . . . . . . 26 Techniker, er steht auch vor den Naturvorgängen wie
ein Kind vor einer Märchenwelt.
Herausforderung Energiewende
Ein Essay zum nötigen politischen Rahmen
Hermann von Helmholtz (1821 – 1894)
von Thomas Hamacher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
Jedoch das Gebiet, welches der unbedingten
Herrschaft der vollendeten Wissenschaft unterworfen
Impressum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
werden kann, ist leider sehr eng, und schon die
organische Welt entzieht sich ihm größtenteils.
Standpunkt: Patrick Aebischer
Was gehört zu einer erstrangigen Universität? . . . . . . . . 86
Benoît Mandelbrot (1924 – 2010)
Das Ziel der Wissenschaft ist es immer gewesen, die
Komplexität der Welt auf simple Regeln zu reduzieren.
Faszination Forschung 10 / 12 5
Tier- und Pflanzenzüchtung
Landsorte
Chispita
(Peru)
(Peru)
Spelzmais
(Mittelamerika)
Serrano
(Peru)
Zahnmais
(USA)
Baby White Rice Popcorn
(USA)
Blanco
(Peru)
Terciopelo
(Peru)
Gelbe Beere
(Zierform, Deutschland)
Fotos: ediundsepp
Kein Korn gleicht dem anderen: Mehrere Tausend verschiedene Maissorten gibt es weltweit. Die genetische Vielfalt ist für Pflanzenzüchter
wertvoll, beispielsweise für die Entwicklung von dürre- oder schädlingsresistenten Sorten
6 Faszination Forschung 10 / 12
Blaue Finger
(Zierform, Deutschland)
Landsorte
(Hochland Mexiko)
Serrano Perquesio
(Peru)
Landsorte
(Guanajuato, Mexiko)
Teosinte
(Wildmais, Mexiko)
Landsorte
(Chiaparo, Mexiko)
Coloras
(Peru)
Die feinen Unterschiede
Maisertrag oder Milchleistung: Weil landwirtschaftlich interessante Merkmale von Nutztieren und Kulturpflanzen
oft durch viele Gene gesteuert werden, sind der klassischen Züchtung Grenzen gesetzt. In einem einzigartigen
Forschungsnetzwerk fahnden Pflanzengenetiker und Tierwissenschaftler deshalb im genetischen Code nach den
kleinen Unterschieden, die eine große Leistung versprechen. Ihr Ziel: Zuchterfolge vorhersagbar machen
Links
www.synbreed.tum.de
www.plantbreeding.wzw.tum.de Zuckermais
www.tierzucht.tum.de (USA)
Faszination Forschung 10 / 12 7
Tier- und Pflanzenzüchtung
Rojo
(Mexiko)
Guadalayaro Jalisco Pozole
(Mexiko)
Hartmais
(Deutschland)
Red River
Valley Popcorn
(USA)
A b Ende September zeigt sich, ob Chris-Carolin Schön
richtig gelegen hat. Der Mais auf den Versuchsfel-
dern der Technischen Universität München ist dann abge-
werden, hat bereits Gregor Mendel in seinen berühmten
Erbsenversuchen beobachtet. Für die Züchter heißt das,
dass sie erst an den Nachkommen etwas über die Quali-
erntet, der Ertrag jeder Parzelle genau gemessen. Für die tät einer Pflanzenlinie – also genetisch identischer Pflan-
Professorin am Lehrstuhl für Pflanzenzüchtung ist dabei zen – ablesen können. Zudem erschweren Umwelteinflüs-
weniger wichtig, wie viel oder wenig am Ende auf der Waa- se die Auswahl der besten Kreuzungspartner: wenn zum
ge angezeigt wird. Für sie zählt, wie genau die gemessene Beispiel unterschiedliche Witterungsbedingungen dafür
Körnermenge mit dem übereinstimmt, was aus den Erbin- sorgen, dass eine Pflanze prächtig gedeiht, die andere hin-
formationen der jungen Maispflanzen vorhergesagt wurde. gegen verkümmert – und das, obwohl es sich um genetisch
Markergestützte oder auch genomische Selektion heißt die identische Setzlinge handelt. Die klassische Züchtung ist
Methode, die Chris-Carolin Schön erforscht: „Wenn wir deshalb auf langwierige Kreuzungsversuche angewiesen.
das Wachstum und den Ertrag bereits aus der Erbsubs- Züchter müssen Hunderte Pflanzenlinien miteinander kom-
tanz eines Samenkorns vorhersagen können, lassen sich binieren und ihre Nachkommen über mehrere Jahre im Feld
vielversprechende Pflanzen früher und verlässlicher für die testen. Dann erst lässt sich abschätzen, welche Pflanzen
Züchtung auswählen“, so beschreibt die Pflanzengenetike- unabhängig von den Umweltbedingungen hohe Erträge
Fotos: Heddergott / TUM; ediundsepp
rin die Idee dahinter. versprechen.
In der klassischen Züchtung ist bislang vor allem eines Mit der genomischen Selektion, also der Auswahl der
gefragt: Geduld. Bis zu zehn Jahre dauert es, eine neue Kreuzungspartner aufgrund der Gesamtheit ihrer Gene,
Maissorte zu entwickeln. Denn das Erscheinungsbild der lässt sich dieser Prozess deutlich beschleunigen, ist Schön
Elternpflanzen (ihr Phänotyp) verrät nicht immer, welches überzeugt: „Mit herkömmlichen Züchtungsmethoden steigt
Erbmaterial (Genotyp) sie weitergeben: Dass hochge- der landwirtschaftliche Ertrag pro Jahr je nach Pflanzenart
schossene Pflanzen auch kleinwüchsigen Nachwuchs um ein bis zwei Prozent an. Mit genombasierten Verfahren
hervorbringen oder die Blütenfarbe Weiß in einer Genera- lässt sich der Züchtungsfortschritt noch erhöhen, vielleicht
tion verschwindet, um in der nächsten wieder sichtbar zu sogar verdoppeln.“ In einem vom Bundesforschungs-
8 Faszination Forschung 10 / 12
Für Chris-Carolin Schön ist die züchterische Optimierung von
Nutzpflanzen eine wichtige Schlüsseltechnologie
Tausende von DNA-Proben werden im Synbreed-Projekt analy-
siert. Das Ziel: Zuchterfolge bei Maispflanzen, Rindern oder Hüh-
nern vorhersagbar machen
Faszination Forschung 10 / 12 9
Fotos: Heddergott / TUM; ediundsepp Die Welternährungsorganisation schätzt, dass bis Mitte des 21. Jahrhunderts der Bedarf an Nahrungsmitteln um 60 Prozent steigt. Wegen Klimaveränderungen braucht man neue Sorten, die Trockenheit und Schädlingen gewachsen sind 10 Faszination Forschung 10 / 12
Tier- und Pflanzenzüchtung
Landsorte
(Subtropen)
Landsorte
(Mexiko)
High Mountain
Midnight Popcorn Hopi Blue
(USA) (Mittelamerika)
ministerium geförderten Forschungscluster entwickelt die von sehr vielen, sogar mehreren Hundert verschiedenen
Pflanzengenetikerin gemeinsam mit Kollegen aus den Tier- Genen ab, die auf komplexe Weise zusammenspielen. Je-
wissenschaften, der Molekularbiologie, Bioinformatik und des für sich genommen hat aber nur einen geringen Effekt.“
Humanmedizin die dafür notwendigen genetischen und Das Maisgenom besteht aus zwei Chromosomensätzen
mathematischen Methoden. Der Vorteil der Synbreed ge- mit jeweils etwa 32.000 Genen, die wiederum unterschied-
tauften Forschungsallianz: Erkenntnisse aus einer Disziplin liche Varianten, sogenannte Allele, aufweisen können. „Die
lassen sich auf andere übertragen. Das Konzept der ge- Kunst besteht darin, die vielen kleinen Unterschiede im
nomischen Selektion stammt beispielsweise ursprünglich genetischen Code zu finden, die zusammengenommen für
aus der Rinderzucht. Auch hier ist der traditionelle Zucht- einen höheren Ertrag sorgen“, sagt die Wissenschaftlerin.
prozess zeitintensiv, weil sich erst durch die Prüfung vie-
ler Nachkommen feststellen lässt, ob ein Bulle gute Gene Wegweiser im Gewirr der DNA
weitergibt. Deshalb greifen Tierzüchter schon seit einigen Um diesen kleinen Unterschieden auf die Spur zu kommen,
Jahren auf Genomanalysen zurück, um daraus bereits für nutzen die Wissenschaftler Genmarker. Das sind winzige,
Jungstiere abzuschätzen, ob sie über- oder unterdurch- eindeutig identifizierbare Abschnitte, in denen sich die
schnittliche Erbanlagen mitbringen. Diesen Ansatz wollen DNA-Stränge verschiedener Individuen unterscheiden.
die Synbreed-Forscher auch in der Hühnerzucht und in der Genmarker haben zwar ursächlich nichts mit dem eigentli-
Pflanzenforschung etablieren. chen Zielmerkmal zu tun, werden aber häufig im Paket mit
„Natürlich unterscheiden sich Tiere und Pflanzen, wenn es größeren DNA-Abschnitten vererbt – und lassen sich des-
um Entwicklung, Ernährung und Gesundheit geht, aber in halb als Wegweiser zu den Genen nutzen, die für komplexe
der Zucht haben wir ähnliche Prinzipien“, stellt Schön fest. Merkmale verantwortlich sein können. Die Genmarker, die
Landwirtschaftlich interessante Merkmale wie die Milch- von den Synbreed-Wissenschaftlern untersucht werden,
leistung, die Legeleistung oder der Kornertrag werden oft sind jeweils nur ein Basenpaar groß: Sogenannte Single
durch mehrere Gene gesteuert. „Das eine Ertragsgen gibt Nucleotide Polymorphisms (SNPs) sind winzige Änderun-
es nicht“, sagt Schön. „Wie groß ein Maiskorn wird, hängt gen in der Basenabfolge des DNA-Stranges, die durch
Faszination Forschung 10 / 12 11Landsorte
(Tuxtla, Mexiko)
Dicht gepackt: Vor der Zellteilung konzentriert sich der DNA-Strang in Chromosomen. Dabei wickelt sich die DNA-Doppelhelix um
Proteine (Histone) und verdichtet sich zu einer Kette von Nukleosomen
Mutationen hervorgerufen wurden. Mehrere Zehntausend
Ungefähre Genomgröße verschiedener Organismen
solcher SNPs aus der Mais-DNA lassen sich im Labor be-
(haploid)
reits durchsuchen.
Anzahl der DNA–Basen- Viele dieser feinen Unterschiede oder SNPs haben keine
paare, aus denen sich das Auswirkungen auf sichtbare Merkmale. Die Gesamtheit der
gesamte Erbgut (Genom)
Variationen ist für die Genetiker aber dennoch interessant:
Organismus zusammensetzt
Denn sie ermöglicht es, von jeder Pflanzenlinie ein geneti-
Virus sches Muster, einen genetischen Fingerabdruck zu erstel-
9.200
(Beispiel: HIV) len. Tausende solcher Mais-Genomprofile durchkämmen
Bakterium (Beispiel: 4,7 Mio. die Synbreed-Forscher nach Regelmäßigkeiten und setzen
Escherichia coli DH 10B) sie mit im Feld gemessenen Ertragsunterschieden in Ver-
Fotos: Hedergott / TUM, ediundsepp; Grafik: ediundsepp
Ackerschmalwand 119 Mio.
bindung. Daraus entwickeln sie mathematisch-statistische
Modelle, mit denen sich bereits aus dem genetischen Code
Huhn 1,1 Mrd. eines Samenkorns vorhersagen lässt, welche Ertragspo-
Mais 2,3 Mrd. tenziale das Pflänzchen verspricht und ob es sich für eine
Kreuzung eignet.
Rind 2,9 Mrd.
Abgeschaut hat sich Chris-Carolin Schön dieses Prinzip
Mensch 3,1 Mrd. der genomischen Selektion von den Tierwissenschaften.
Saatweizen 16 Mrd. Prof. Ruedi Fries und Hubert Pausch vom Lehrstuhl für
Tierzucht der Technischen Universität München verwenden
das Verfahren zum Beispiel, um die Augenpigmentierung
bei Fleckviehrindern vorherzusagen. Eine sichere Vorhersa-
Die Zahl der Basenpaare eines Genoms ist kein Maß für die
Entwicklungshöhe eines Organismus. Manche Pflanzen wie der ge dieses komplexen Merkmals bedeutet in sonnenreichen
Saatweizen haben beispielsweise mehrere Chromosomensätze Ländern einen Züchtungsvorteil, weil die dunkle Färbung
12 Faszination Forschung 10 / 12Tier- und Pflanzenzüchtung
C
G G
C
G T A A A T
C C A T T T A G
G C
SNP
C
G G G
C
T T A A A T G T A
C A A T T T A G C C A T
G C G
Kleine Unterschiede mit großer Wirkung: Die Synbreed-Wissenschaftler untersuchen, wie sich der Austausch einzelner DNA-Bausteine
– sogenannte Single Nucleotide Polymorphisms (SNPs) – zum Beispiel im Ertrag von Maispflanzen spiegelt
Landsorte
(Guanajuato, Mexiko)
um die Augen vor Augenkarzinomen schützt. Um ein zuver-
lässiges Vorhersagemodell zu entwickeln, greifen die Tier-
wissenschaftler ebenfalls auf SNPs als Genmarker zurück.
Weil die dafür notwendigen Analyse-Technologien schon
länger als beim Mais verfügbar sind, kann der Doktorand
Hubert Pausch rund 800.000 solcher variablen Basenpaa-
re untersuchen. Zudem stehen dem Wissenschaftler für
jeden Fleckvieh-Bullen ausführliche Informationen zu äu-
ßeren Merkmalen zur Verfügung. Geliefert werden sie von
der Bayerischen Landesanstalt für Landwirtschaft, die sich
ebenfalls an Synbreed beteiligt. Die Behörde ist zentrale
Anlaufstelle für die Registrierung von Zuchtbullen in Bayern
und Österreich und erhebt in regelmäßigen Abständen die
verschiedensten Eigenschaften und Leistungsmerkmale für
jedes einzelne Tier, darunter auch die Augenpigmentierung.
Personal Genomics –
Partnerwahl nach Genomprofil
Am Ende zählt statistisches Können: Den Effekt der SNPs,
diesen kleinen, aber feinen Unterschieden im Genprofil, auf
das gesuchte Züchtungsmerkmal schätzt Pausch mithilfe
von mathematischen Modellen. Dazu gehört viel statis
Mit DNA-Schnipseln beschichtete Chips können spezifische
tisches Know-how und die Geduld, verschiedene Rechen- DNA-Sequenzen festhalten, die rot und grün aufleuchten und so
modelle auszuprobieren. Denn für jede Forschungsfrage anzeigen, ob sich ein Genmarker in der Gewebeprobe befindet
Faszination Forschung 10 / 12 13Tier- und Pflanzenzüchtung
Fotos: Bayern-Genetik GmbH; ediundsepp
Die Erbsubstanz zweier Fleckvieh-Bullen ist zu 99,9 Prozent identisch. Trotzdem bleiben noch drei Millionen Unterschiede, die für die
Züchtung relevant sein können. Mit molekulargenetischen Verfahren können die Synbreed-Wissenschaftler etwa 800.000 davon untersuchen
muss neu bestimmt werden, welches statistische Verfah- einer Herde vereinfachen, wenn die individuellen Genprofi-
ren die höchste Vorhersagekraft bietet. „Am Anfang steht le der Tiere Auskunft über Erbdefekte oder die Anfälligkeit
man zunächst vor einem riesigen Datenberg. Im Laufe für Krankheiten geben“, ist sich Fries sicher. Möglich wird
der Berechnungen werden aber Verteilungsmuster sicht- die Typisierung im großen Stil und damit das Konzept Per-
bar, die Licht in die Daten bringen“, sagt Hubert Pausch. sonal Genomics durch Technologiesprünge bei der Ent-
Am Ende kann man praktisch schon zum Zeitpunkt der schlüsselung des genetischen Codes. Weil Sequenzier
Geburt das genetische Potenzial eines Jungtieres, also automaten immer leistungsfähiger werden, sinken auch
seinen Zuchtwert, mit einer zum Teil beachtlichen Sicher- die Kosten pro erfasster Base – in den letzten fünf Jahren
heit bestimmen. Für die Züchter ein klarer Vorteil: Denn mindestens um den Faktor tausend.
ein solcher genomischer Zuchtwert liefert schon früh die
Entscheidungsgrundlage, um die besten Kreuzungspart- Nützliche Vielfalt
ner auszuwählen. Die Erfahrungen der Tierzüchter machen sich die Syn-
Tierwissenschaftler Ruedi Fries erhofft sich von der Wei- breed-Forscher zunutze, um auch für Maissorten und Hüh-
terentwicklung der genomischen Evaluation aber noch nerrassen genomische Zuchtwerte zu etablieren. Schön
mehr: Er rechnet mit einer Aufwertung jedes einzelnen und ihre Kollegen haben dafür Pionierarbeit geleistet: Die
Tieres durch die Charakterisierung seiner Erbinformation. SNP-Technologie musste zunächst an die Eigenheiten der
„Durch die Kenntnis der in der Erbsubstanz angelegten Pflanzenzüchtung angepasst werden. Zudem haben die
Stärken und Schwächen können die Landwirte viel ge- Wissenschaftler in umfangreichen DNA-Sequenzen akri-
zielter auf die jeweiligen Bedürfnisse des einzelnen Tie- bisch nach den Genmarkern gesucht, die für die Züchtung
res eingehen, zum Beispiel bei Ernährung oder Vorsorge“, wirklich relevant sind. Dabei beschränken sich die Wissen-
sagt Fries. Mittlerweile werden nicht mehr nur Zuchtbullen schaftler natürlich nicht auf handelsübliche Maissorten.
typisiert, auch die genetischen Fingerabdrücke von Kühen Um den Ertrag zu steigern oder Eigenschaften aus anderen
werden im Rahmen der Züchtungsforschung zunehmend Sorten einzukreuzen, müssen möglichst unterschiedliche
erhoben. „Für Tierärzte könnte es in Zukunft die Betreuung genetische Eigenschaften miteinander kombiniert werden.
14 Faszination Forschung 10 / 12Erdbeermais
(Deutschland)
Innovationscluster Synergistische Pflanzen- und Tierzüchtung (Synbreed)
Die Erfassung minimaler Variationen in der DNA von Kulturpflanzen und Nutztieren ist ein Weg, um feine Unterschiede aufzuspüren, die
eine große Leistung versprechen. Der Innovationscluster Synbreed macht dieses Verfahren für verschiedene Züchtungsziele bei Mais,
Hühnern und Rindern anwendbar. Dafür nutzt das Forschungsnetzwerk nicht nur modernste Technik, sondern bündelt das Know-how
von hochkarätigen Wissenschaftlern aus den Agrarwissenschaften, der Molekularbiologie, Bioinformatik und Humanmedizin. Koordi-
niert wird der Forschungscluster von der Pflanzengenetikerin Prof. Chris-Carolin Schön an der Technischen Universität München. In
Synbreed arbeitet sie gemeinsam mit Wissenschaftlern der TUM, des Helmholtz Zentrums München, der Georg-August-Universität
Göttingen, der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, der Universität Hohenheim, der Bayerischen Landesanstalt für Landwirtschaft
und des Friedrich-Loeffler-Instituts Mariensee; als industrielle Kooperationspartner sind die KWS Saat AG und die Lohmann Tierzucht
GmbH beteiligt. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung fördert Synbreed im Rahmen der Initiative Kompetenznetze in der
Agrar- und Ernährungsforschung über fünf Jahre mit insgesamt zwölf Millionen Euro.
Landsorte
(Jalisco, Mexiko)
Mit der Typisierung von Wildformen oder von Sorten aus nombasierte Züchtung zum ersten Mal erprobt. In einem
anderen Klimazonen vergrößert sich der Genpool, aus großflächigen Anbauversuch wurde der Ertrag von 1.300
dem die Forscher für die Züchtung schöpfen können. Parzellen mit jeweils 100 Maispflanzen gemessen. Das
Zum Lehrstuhl von Chris-Carolin Schön am TUM Campus Ergebnis: Hatten die Wissenschaftler die Genomprofile in
Freising-Weihenstephan gehört deshalb ein Schaugarten, die Ertragsvorhersage einbezogen, erreichten sie inner-
in dem verschiedene Maispflanzen aus der ganzen Welt halb einzelner P flanzenfamilien eine Treffgenauigkeit von
stehen: Neues Saatgut aus den USA ist darunter, aber bis zu 75 Prozent – und lagen damit deutlich höher als bei
auch mexikanische Urtypen, die spektakuläre vier Meter einer Vorhersage allein auf Grundlage der Stammbaum-
hoch werden. Die Genvielfalt des Maises will die Pflan- Informationen. „Die genomische Selektion hat das große
zengenetikerin nutzen, um Sorten zu züchten, die resistent Potenzial, langwieriges Trial-and-Error zu verkürzen“, sagt
gegen Dürre oder gegen Schädlinge sind. Gentechnische Schön.
Veränderungen der Erbanlagen sind dafür nicht notwen- Auf Anbauversuche kann und will die Pflanzengenetikerin
dig. „Wir bleiben – wie in der klassischen Züchtung – im aber nicht verzichten. Denn die Vorhersage-Modelle müs-
genetischen Pool der gleichen Art“, stellt Schön fest. In sen dennoch trainiert, das heißt auf dem Feld geprüft und
einem Vorgängerprojekt war sie damit bereits erfolgreich: nachjustiert werden. Vor allem wenn es darum geht, die
Mithilfe von Genmarkern konnten die Genomabschnitte für den Kornertrag gewonnenen Erkenntnisse für andere
identifiziert werden, die Weizenpflanzen vor dem Schim- komplexe Eigenschaften zu erproben: In ihren laufenden
melpilz Fusarium schützen, der das Korn vergiftet. Damit Feldversuchen will Chris-Carolin Schön deshalb nicht
wurde die Grundlage für neue Sorten gelegt, die an mit- nur den Ertrag von Maispflanzen vorhersagen, sondern
teleuropäische Wachstumsbedingungen angepasst und auch ihre Resistenz gegenüber dem Maiszünsler, dessen
trotzdem gegen den Pilz immun sind. Raupen zu den hartnäckigsten Getreideschädlingen gehö-
Auch beim Mais stimmen erste Anbauergebnisse die ren. Ab Ende September wird sich zeigen, ob die Wissen-
Pflanzengenetikerin optimistisch: Im vergangenen Jahr schaftlerin auch dieses Mal richtig gelegen hat.
haben Chris-Carolin Schön und ihre Kollegen die ge- Undine Ziller
Faszination Forschung 10 / 12 15Physik
Überraschende Physik
mit einfachen Mitteln
Der Festkörperphysiker Prof. Christian Pfleiderer und sein Team haben dort genauer hingeschaut, wo Forschern
seit Jahrzehnten nichts Besonderes aufgefallen war. Und sie entdeckten überraschende Phänomene, die ein ganz
neues Arbeitsgebiet begründeten. Es ist so neu, dass es noch nicht einmal einen richtigen Namen hat
Könnte man die Richtung der Elektronenspins an einer Metall
Link
oberfläche mit bloßem Auge erkennen, würde sich dieses Bild
darbieten, wenn man die Materialien betrachtet, die Christian Pflei
derer und seine Mitarbeiter untersuchen: Die Spins bilden regel www.e21.ph.tum.de
mäßige Wirbel aus
Illustration: ediundsepp
16 Faszination Forschung 10 / 12A uf dem Arbeitstisch liegen kleine, mattgraue Metall
stückchen, die völlig unscheinbar wirken. Durch
eine besondere Eigenart haben sie aber in der letzten Zeit
finden. Christian Pfleiderer, seit Ende 2004 Professor an der
TU München, und seine Mitarbeiter hielt diese Aufgabe fast
drei Jahre lang in Atem. Und sie ist noch längst nicht ab
in der wissenschaftlichen Welt Furore gemacht: Kühlt man geschlossen, ganz im Gegenteil: „Wir haben da ein richtig
sie fast bis zum absoluten Nullpunkt und bringt sie in ein großes Fass aufgemacht“, sagt der 46-jährige Festkörper
Magnetfeld, dann zeigen sie plötzlich ein völlig anderes physiker. Ende vergangenen Jahres erhielt er 2,2 Millionen
magnetisches Verhalten. Heute weiß man, dass sie winzig Euro vom European Research Council (ERC), um die Arbei
kleine, regelmäßig angeordnete, äußerst stabile Magnet ten zu vertiefen und Potenziale für praktische Anwendun
wirbel ausbilden, aber das musste man erst einmal heraus gen auszuloten.
Faszination Forschung 10 / 12 17Foto: Naeser, MPI für Quantenoptik; Grafik: TUM Christian Pfleiderer bei der Vorbereitung der Messeinrichtung. Sie enthält die Materialprobe, die anschließend bei sehr tiefen Tempera turen im Garchinger Forschungsreaktor einem Neutronenstrom ausgesetzt wird Ein neues Arbeitsgebiet entsteht Zusammenspiel seiner Elemente entstehen, ohne dass In der Wissenschaft – auch in der Physik – gibt es immer man sie aus deren Eigenschaften vorhersehen konnte. wieder Modethemen, die eine hohe Anziehungskraft auf Dazu gehören beispielsweise das plötzliche Gefrieren von Forscher ausüben und deren Beliebtheit wächst. Die Nano Wasser zu Eis, die Supraleitung oder auch das Entstehen technik gehört dazu oder auch die Kurzzeitphysik. Nichts von Bewusstsein im menschlichen Gehirn. In Bezug auf von alledem macht Christian Pfleiderer. Seine Arbeit kann die Materialforschung steigen mehr und mehr Gruppen man in einem kleinen Team schaffen – ganz im Gegensatz in Deutschland und weltweit auf dieses Teilgebiet ein. Sie zu den großen Kollaborationen beispielsweise in der Teil suchen gezielt nach Materialien, die diese Eigenschaften chenphysik, in denen Hunderte von Forschern zusammen zeigen, „da geht jetzt die Post ab“. Aber so einfach, wie arbeiten. „Es gibt eben auch außerhalb typischer Modethe Pfleiderer es mit einer gewissen Bescheidenheit darstellt, men oder der üblichen monumentalen Fragestellungen sind die Arbeiten natürlich nicht. Es gehört viel Know-how extrem viele spannende Dinge zu entdecken“, betont er, dazu. Der Blick muss darauf vorbereitet sein, das Neue zu „und man kann auch mit relativ einfachen Mitteln ganz tolle erkennen, und man braucht manchmal ein ungewöhnlich Physik machen.“ großes Messgerät wie den Forschungsreaktor München II Genau dies ist ihm und seinem Team gelungen, und daraus (FRM II), um die physikalischen Geheimnisse der emergen entsteht nun ein neues Arbeitsgebiet. Es gehört zu einem ten Eigenschaften mikroskopisch zu entschlüsseln. Bereich der Physik, der den sperrigen Namen „Stark kor Es beginnt schon mit der richtigen Auswahl der Materialien relierte Elektronensysteme“ trägt. Hier lassen sich nicht nur und der Herstellung hochreiner Einkristalle – eine Kunst für bereits bekannte Phänomene im Detail untersuchen und sich. Nicht jedes Metall ist geeignet, aber es sind keines aufklären, sondern noch neue entdecken. Wissenschaft wegs nur neue Substanzen, die man sich anschaut. „Wir ler sprechen von emergenten Eigenschaften und meinen betrachten auch viele Materialien, die man seit Jahrzehnten damit Erscheinungen, die in einem System ganz spontan kennt, aber eben unter neuen Gesichtspunkten“, sagt Pflei unter bestimmten Bedingungen auftauchen und durch das derer. Er interessiert sich dafür, seit er an der britischen Uni 18 Faszination Forschung 10 / 12
Physik
Zählrate/
Stunde
20
11
6
3,3
1,8
1
Sechs verräterische Punkte: Dieses Muster kam durch die Neutronenstreuung am Forschungsreaktor zustande. Es deutet auf eine regel
mäßige magnetische Struktur hin, die zunächst einmal niemand erklären konnte
versität Cambridge promovierte und dort in Pionierarbeiten um ein Vielteilchensystem wie das der Elektronen in einem
zum ersten Mal magnetische Phasenübergänge bei extrem Festkörper zu beschreiben“, sagt Pfleiderer. „So kommt es
tiefen Temperaturen als Funktion eines Drucks oder Mag eben häufig vor, dass die Elektronen am Schluss als Kollek
netfelds untersuchte. „Wir stellten in unseren Experimenten tiv völlig neue, unerwartete Eigenschaften entwickeln.“ Al
fest, dass derartige Übergänge auch bei höheren Tempera les in allem ein relativ aufwendiges Theoriegebäude, in dem
turen starke Auswirkungen haben“, so der Physiker. Er ent Konzepte aus der Elementarteilchenphysik und der Physik
schloss sich deshalb, diese Richtung weiter zu verfolgen, von Polymeren oder Flüssigkristallen zusammenspielen.
auch später, als er an der TUM eine neue Arbeitsgruppe auf Noch komplizierter wird es, wenn man mit Materialien ar
baute, die sich mit magnetischen Materialien beschäftigte. beitet, die zwar ein regelmäßiges Kristallgitter besitzen,
aber gleichzeitig eine händische Symmetrie. Das heißt, es
Völlig unerwartete Eigenschaften gibt zwei Arten von Gitteraufbau, die sich nicht durch Dre
Die theoretische Erklärung der neu entdeckten Vorgänge hen oder Verschieben ineinander überführen lassen, eben
ist kompliziert, weil die Theorie der Metalle äußerst an so wie die beiden Hände des Menschen. Schon 1905 hat
spruchsvoll ist. Denn das einfache Bild, das man norma der britische Physiker Lord Kelvin solche Systeme als chiral
lerweise von Stromleitern hat, beschreibt die Wirklichkeit bezeichnet. Mangan-Silizium ist so eine Substanz, eine Le
nur unzureichend. Sicherlich ist richtig, dass Leitungselek gierung, bei der die Mangan- und Siliziumatome entweder
tronen sich im Kristallgitter bewegen können und beim An in einer rechtshändigen oder linkshändigen Struktur aus
legen einer Spannung verschoben werden. Hinzu kommt kristallisieren. „An sich ist dieses Material sehr gut verstan
aber, dass sich diese Elementarteilchen aufgrund ihrer den. Es wird ja schließlich seit vielen Jahrzehnten intensiv
Ladung und ihres Spins (einer Art quantenmechanischem untersucht“, sagt Pfleiderer. Dennoch entdeckten er und
Drall) so stark gegenseitig beeinflussen, dass man sie häu sein Team bei Experimenten massive Unregelmäßigkeiten,
fig gar nicht mehr voneinander unterscheiden kann. „Es die auf ein anomales Metall hinweisen, bei dessen Be
müssen mehrere theoretische Konzepte ineinandergreifen, schreibung alle traditionellen Vorstellungen versagen.
Faszination Forschung 10 / 12 19Physik Chirale Materialien haben eine händische Symmetrie. Das heißt, sie kommen in zwei Arten vor, deren Gitteraufbau sich nicht durch Dre hen oder Verschieben ineinander überführen lässt, ebenso wie die beiden Hände des Menschen Eine völlig andere Fragestellung verfolgten die Physiker im als die beteiligten Doktoranden Sebastian Mühlbauer und Jahr 2008 im gleichen Material. Hier ging es darum, einen Florian Jonietz das Neutronenstreuexperiment anders als Vorschlag des theoretischen Physikers Prof. Achim Rosch geplant aufbauten. Sie hatten das Magnetfeld für die Un von der Universität zu Köln zu untersuchen, nämlich ob tersuchungen am Instrument MIRA, das von Prof. Peter man die magnetische Ordnung in einem Metall durch einen Böni und Mitarbeitern am FRM II entwickelt wurde, paral elektrischen Strom verändern kann. Etwas Derartiges war lel anstatt wie sonst üblich senkrecht zum Neutronenstrahl bisher noch nie beobachtet worden. Ihre Untersuchungen eingestellt. Und so kam es, dass die Physiker äußerst un zu dieser Frage machten Pfleiderer und sein Team im Gar gewöhnliche Messergebnisse erhielten. „Auf einmal sahen chinger Forschungsreaktor mit Neutronen. Diese elektrisch wir auf dem Bildschirm einen Ring aus sechs Punkten, der neutralen Teilchen eignen sich gut, um magnetische Eigen bei einem elektrischen Strom um einen kleinen Winkel ver schaften zu untersuchen, denn sie besitzen einen Spin, kippt wurde“, erzählt der 32-jährige Sebastian Mühlbau werden also durch Magnetfelder beeinflusst. Pfleiderer er. Zufälligerweise war das am 1. April, sodass Pfleiderer schätzt die Möglichkeiten am FRM II, der nur wenige Meter zunächst an einen Aprilscherz des Doktoranden glaubte. von seinem Büro in der Fakultät für Physik entfernt ist: „Das Doch das sechseckige Muster war tatsächlich sichtbar, wie ist ein toller Zugang zu einer weltweit führenden Großfor die Wiederholung der Experimente zeigte, genauso wie die schungsanlage. Wir können mit den Materialien, die wir in Verkippung bei Stromfluss. Und zwar bei einer Tempera unseren Kristallzüchtungslabors herstellen, direkt hinüber tur von -245,15 Grad Celsius und einem Magnetfeld von marschieren und mit Neutronen die Kristallstruktur, die ma 0,2 Tesla. Das deutete auf eine regelmäßige magnetische gnetische Struktur, deren Dynamik und viele andere Eigen Struktur hin, die zunächst niemand erklären konnte. Und schaften schneller als irgendeine andere Gruppe weltweit zum ersten Mal hatte ein elektrischer Strom einen sichtba untersuchen.“ ren Einfluss auf eine magnetische Struktur. Eine unerwartete Wendung nahm die Suche nach stromin Es folgten weitere Experimente und intensive Diskussionen duzierten Veränderungen einer magnetischen Ordnung, mit den theoretischen Physikern um Achim Rosch. Bald 20 Faszination Forschung 10 / 12
Grafiken links: ediundsepp nach Pfleiderer, TUM; Foto: Naeser, MPI für Quantenoptik
Dr. Sebastian Mühlbauer an der Apparatur zur Herstellung von Einkristallen mit dem chiralen Gitteraufbau. Der Physiker hatte in seiner
Doktorarbeit deren außergewöhnliche magnetische Eigenschaften untersucht
war klar, dass die Kristallstruktur zu chiralen magnetischen Strukturen speichern könne. „Es ist noch viel Platz da un
Wechselwirkungen führte, die für die seltsamen Phänome ten“ war der Titel seiner inzwischen weltberühmten Rede,
ne verantwortlich sein mussten. Allmählich kristallisierte die er am 29. Dezember 1959 im kalifornischen Pasade
sich die Vermutung heraus, dass die Leitungselektronen na als After-Dinner-Talk vor der Amerikanischen Physikali
die magnetische Struktur deshalb beeinflussen konnten, schen Gesellschaft hielt. Er rechnete darin unter anderem
weil diese aus regelmäßig angeordneten kleinen Wirbeln vor, dass es theoretisch möglich ist, die gesamten 24 Bän
bestand, ein Phänomen, das man vorher noch nicht ge de der Encyclopaedia Britannica auf einen Stecknadelkopf
sehen hatte. Diese Wirbel sind sehr stabil und verlaufen zu schreiben. Für jeden einzelnen Buchstaben stünden
parallel zum äußeren Magnetfeld durch die gesamte Probe dann immer noch rund 1000 Atome zur Verfügung – eine
hindurch. Dreht man das Material im Magnetfeld, verändert ausreichende Menge, so meinte er. Seither gelang es, Da
sich die Richtung der Wirbelfäden – sie bleiben immer pa tenspeicher um ein Vielfaches zu verkleinern, sodass man
rallel dazu. Die Kölner rechneten diese Hypothese durch, glaubt, in der nahen Zukunft an die physikalischen Grenzen
und tatsächlich konnten sie die Experimente der Münchner des Machbaren zu stoßen.
erklären. „Die Wirbelfäden verhalten sich wie ein magneti Ein wichtiger Durchbruch, der 2007 mit dem Nobelpreis
scher Kristall, der sich in einem festen Körper nahezu frei für Peter Grünberg und Albert Fert ausgezeichnet wurde,
bewegen kann“, sagt Sebastian Mühlbauer. bestand in der Manipulation von elektrischen Strömen
durch die magnetischen Eigenschaften ausgewählter Ma
Bessere Datenspeicherung terialien. Die umgekehrte Vorgehensweise dagegen, näm
Besonders wichtig an den magnetischen Wirbelfäden dürf lich mit elektrischen Strömen magnetische Eigenschaften
te jedoch sein, dass die Entdeckung von Pfleiderer und zu verändern und damit Daten viel schneller als heute zu
Kollegen große Fortschritte in der Datenverarbeitung ver schreiben und zu verarbeiten, stellt ein bisher ungelöstes
spricht. Bereits 1959 hatte der legendäre Physiker Richard Problem dar, dem derzeit weltweit intensive Forschungsak
Feynman vorhergesagt, dass man Daten auf sehr winzigen tivitäten gewidmet sind.
Faszination Forschung 10 / 12 21Hier ist ein einzelner Magnetwirbel herausgegriffen. Die Pfeile
zeigen die Richtung der magnetischen Momente. Physiker spre
chen auch von einem Skyrmion, nach dem britischen Physiker
Tony Skyrme (siehe unten)
Die Begründer der Skyrmionen
3-D-Grafiken oben: ediundsepp nach Pfleiderer, TUM; Bild links: Archiv der Max-Planck-
Werner Karl Heisenberg Tony Hilton Roy Skyrme
Physiker und Kernphysiker
Nobelpreisträger
* 5. Dezember 1922
* 5. Dezember 1901 † 25. Juni 1987
† 1. Februar 1976
Gesellschaft, Berlin-Dahlem; Bild rechts: University of Birmingham
Der Münchner theoretische Physiker Werner Heisenberg gilt als Auch der Brite Tony Skyrme arbeitete als theoretischer Physiker.
einer der Väter der Quantenphysik, für deren Begründung er Während des Zweiten Weltkriegs beteiligte er sich am amerika
1932 den Nobelpreis für Physik erhielt. Bis heute ist er berühmt nischen Entwicklungsprogramm für die Atombombe. Nach dem
durch die Formulierung der Heisenbergschen Unschärferelation. Krieg beschäftigte er sich mit theoretischer Kernphysik, bei
Vor allem in seinen späteren Jahren beschäftigte er sich damit, spielsweise mit Konzepten zum inneren Aufbau von Atomkernen.
eine Weltformel zu entwickeln, die alle Bausteine des Univer In den 60er-Jahren griff er die Idee der topologischen Knoten
sums, also sowohl Teilchen wie Kräfte, gleichermaßen umfasst. im Kontinuum auf und baute das Konzept weiter aus. Die von
Dabei verwendete er auch topologische Konzepte, und so erklär ihm vorgeschlagenen Quasiteilchen sind deshalb heute nach ihm
te er Teilchen als Knoten in einem Kontinuum. Erst später wurde benannt.
klar, dass derartige Knoten auch in anderen Gebieten der Physik Behandelt man die magnetischen Eigenschaften eines Festkör
auftreten, etwa in der Festkörperphysik oder beim Quanten-Hall- pers als eine Art Kontinuum, so sind die magnetischen Wirbel,
Effekt. Bestimmte Knoten erhielten Anfang des 21. Jahrhunderts die Pfleiderer und Kollegen in Festkörpern entdeckt haben, ge
den Namen Skyrmionen. nau solche Skyrmionen.
22 Faszination Forschung 10 / 12Physik
Elektron
Bananenflanke: Fliegt ein Elektron über einen solchen Magnet
Skyrmion
wirbel hinweg, muss dessen Elektronenspin dem Wirbel folgen.
Dabei führt es eine charakteristische Torkelbewegung aus, die eine
Kraft erzeugt
Pfleiderers Idee dazu ist, die Entstehung der Magnetwirbel
Bananenflanke
zu steuern und mit ihrer Hilfe Informationen zu manipulie
ren und zu speichern. Einen Fortschritt hat er schon vor Die Kräfte, die auf die magnetischen Wirbel wirken und sie
Augen: Im Dezember 2010 berichtete seine Forschergrup losreißen, beruhen auf einem quantenmechanischen Effekt,
pe in „Science“, was es mit der Verkippung des Rings aus der zu Gemeinsamkeiten mit einem Phänomen führt, das je
sechs Punkten auf sich hat, den sie bei einem Stromfluss in dem Fußballspieler bekannt ist:
der Neutronenstreuung beobachtete. Es stellte sich näm Schneidet man einen Ball an, sodass er sich im Flug schnell
lich heraus, dass sich die Wirbelfäden ab einer bestimm um die eigene Achse dreht, dann wird der Ball durch die so
ten Stromstärke losreißen und dass sie mit den Leitungs genannte Magnuskraft von seiner geraden Flugbahn abge
elektronen mitschwimmen. Weil dafür nur extrem niedrige lenkt und fliegt als Bananenflanke um die Kurve. Der um seine
Achse wirbelnde Ball reißt die Luft mit sich. Die mitgerissene
Stromstärken nötig sind, eröffnen sich ganz neue Möglich
Luft trifft auf die entgegenströmende und erzeugt auf der ei
keiten. „Wenn man magnetische Strukturen über Ströme nen Seite des Balls einen Unterdruck und auf der anderen
kontrollieren kann, eröffnet sich langfristig eine ganz neue einen Überdruck, wovon der Ball abgelenkt wird.
Art der Elektronik“, meint Rosch.
Bei den magnetischen Wirbeln ist es ähnlich: Hier über
nehmen effektive magnetische Wirbelströme die Rolle der
Weltweite Aufmerksamkeit Luftströmung. Sie klingen jedoch auch ohne Energiezufuhr
So spannend die neu entdeckten Materialeigenschaften niemals ab, und die Stärke der Wirbel nimmt einen durch die
sind: Mangan-Silizium selbst ist nicht für Anwendungen Gesetze der Quantenmechanik genau festgelegten Wert an.
geeignet, da man sehr tiefe Temperaturen benötigt. Aber Auch die Kopplung der Wirbel an die Bewegung der Elek
tronen wird durch quantenmechanische Effekte bestimmt.
es ist nicht das einzige Material, das magnetische Wirbel Wenn ein Elektron durch diese Wirbelstruktur durchfliegt, muss
fäden ausbildet. So ist es beispielsweise der Gruppe um der Elektronenspin dem Wirbel folgen. Dabei führt er eine cha
Yoshinori Tokura vom Advanced Science Institute RIKEN rakteristische Torkelbewegung aus, die diese Kraft erzeugt.
und der Universität Tokio kürzlich gelungen, diese Er
Faszination Forschung 10 / 12 23Physik
B = 0.1 T
T = 60 K T = 180 K T = 260 K T = 275 K
Darstellungen: Y. Tokura, RIKEN
Sample edge
100 nm 100 nm 100 nm
100 nm
Der Gruppe um Yoshinori Tokura vom Advanced Science Institute RIKEN in Tokio gelang es, ähnliche Magnetwirbel mittels Transmissi
onselektronenmikroskopie in Eisen-Germanium bei Raumtemperatur nachzuweisen
scheinungen mittels der Transmissionselektronenmikros Selbst hinsichtlich der Aufklärung der anomalen metalli
kopie in Eisen-Germanium, einer Substanz, die Mangan- schen Eigenschaften, die Pfleiderer und Kollegen zunächst
Silizium stark ähnelt, bei Raumtemperatur nachzuweisen. in Mangan-Silizium entdeckten, bieten die Wirbelfäden
Es wird sogar daran gearbeitet, durchsichtige Materialien eine mögliche Erklärung, sodass sich der Kreis schließt.
zu finden, in denen man die magnetischen Wirbel mit Licht „Da tun sich ganz neue Welten auf“, sagt Pfleiderer. „Es ist
oder elektrischen Feldern beeinflussen kann, um elektro eine faszinierende Mischung aus Grundlagen- und ange
nische Bauteile zu erschaffen, die ganz ohne elektrischen wandter Forschung.“
Strom auskommen. Und so suchen die Münchner nun, zu Was aber nach wie vor fehlt, ist ein griffiger Name für die
sammen mit einer steigenden Anzahl anderer Arbeitsgrup neue Forschungsrichtung. Da der Ausdruck Spintronik nur
pen weltweit, weitere Materialien, die solche Wirbel zeigen. einen Teil der neuen Erkenntnisse erfasst, wurde von den
Das Geld vom ERC wird dabei helfen. Herausgebern der englischen Zeitschrift ,,Nature Materi
Voraussetzung sind bei dieser Suche immer die chiralen als“ kürzlich der Name Skyrmionik vorgeschlagen. Der Be
magnetischen Eigenschaften. Besonders an Oberflächen griff geht auf den britischen Physiker Tony Skyrme zurück.
können sich – wegen ihrer Asymmetrie – magnetische Wir Der theoretische Kernphysiker griff in den 60er-Jahren eine
bel ausbilden. Und tatsächlich hat, motiviert durch die Ar Idee des Münchner Nobelpreisträgers Werner Heisenberg
beiten von Pfleiderer und Kollegen, ein Team von Physikern auf, die die Bausteine des Universums als Knoten in ei
um Prof. Stefan Heinze von der Universität Kiel und Prof. nem Kontinuum erklärt, woraufhin diese Teilchen Skyr
Roland Wiesendanger von der Universität Hamburg kürz mionen genannt wurden. Skyrme wurde für seine Arbeit
lich die Existenz von Magnetwirbeln in einer Eisenschicht die Hughes Medal der Royal Society verliehen. Behandelt
auf einem Iridiumsubstrat nachgewiesen, die nur eine man die magnetischen Eigenschaften eines Festkörpers
Atomlage dick ist. Eine weitere spannende Frage, die die als eine Art Kontinuum, so sind die magnetischen Wirbel,
Münchner und Kölner Physiker nun angehen wollen, ist die, die Pfleiderer und Kollegen entdeckt haben, genau solche
ob man auch einzelne Wirbel verschieben kann. Skyrmionen. Brigitte Röthlein
24 Faszination Forschung 10 / 12Kann man das
Deutsche Patentamt
über 130 Jahre auf
Trab halten?
MAN kann.
Die Damen und Herren vom Deutschen
Patentamt müssten unsere Ingenieure
mittlerweile beim Vornamen kennen. Kein
Wunder, so oft wie wir dort vorstellig
werden. Allein für unsere Sparte MAN
Truck & Bus melden wir weltweit pro
Jahr fast 500 Patente an. Das ist
richtig gut. Aber das Beste ist, dass
90 % davon sogar erfolgreich patentiert
werden. Das ist mehr als gut. Das ist
sogar Spitzenklasse. Nur zum Vergleich:
Der Wettbewerb kommt nur auf 30–40 %
erfolgreich angemeldete Patente. Wer
technologisch gesehen ganz vorne
fahren will, der muss eben auch ein
bisschen mehr machen als die anderen.
Wir fahren übrigens sehr gut damit.
Genau wie Sie, denn Sie profitieren
schließlich ökonomisch und ökologisch
von unserem Know-how. Was MAN noch
alles bewegen kann: www.man-kann.eu
Engineering the Future –
since 1758.
MAN GruppeIn eigener Sache
Link
www.exzellenz.tum.de
Erfolgreich in die zweite Runde
der Exzellenzinitiative
Die Technische Universität München hat ihren Nimbus als der abgestimmten Rekrutierungsinstrumenten, vom pro-
Exzellenzuniversität erfolgreich verteidigt. Das Zukunfts- fessionellen Headhunting bis hin zum Netzwerk Munich
konzept TUM. THE ENTREPRENEURIAL UNIVERSITY mit Welcome!, das den Familien der Wissenschaftler bei ihrem
seinem deutschlandweit einzigartigen Tenure-Track-Karrie- Start in München zur Seite steht. Das offizielle Statut des
resystem für Nachwuchswissenschaftler erhielt Bestnoten. neuen Karrieresystems tritt am 1. Juli 2012 in Kraft.
Die TUM erweitert sich um eigene Zentren für Diversity- Neuartige Forschungszentren sind das Instrument, mit dem
Forschung und für die Erforschung der gesellschaftlichen die TUM globale Herausforderungen angeht, deren Bewäl-
Dimension der Technikwissenschaften. Ausgezeichnet wur- tigung die Leistungskraft und das fachliche Spektrum ein-
den auch die International Graduate School of Science and zelner Fakultäten übersteigt – wie zum Beispiel die Themen
Engineering sowie vier Exzellenzcluster gemeinsam mit der Energie oder Ernährung. Ihr in der Summe einmalig breites
LMU München. Von 2012 bis 2017 erhält die TUM mindes- Fächerspektrum eröffnet der TUM die Chance, Wissen-
tens 165 Millionen Euro. Für Präsident Prof. Wolfgang A. schaftler aus den Fakultäten in sogenannten Integrative Re-
Herrmann bedeutet der neuerliche Erfolg eine große Ver- search Centers zusammenzuführen. Fast alle Zentren bieten
antwortung: Die TUM muss den vor Jahren eingeschla- auch eigene Masterstudiengänge sowie Promotionen an.
genen Modernisierungskurs mit den Zielen Wissenschaft- Das MUNICH CENTER FOR TECHNOLOGY IN SOCIETY
lichkeit, Internationalität und Unternehmertum konsequent (MCST) verbindet Soziologen und Ethiker, Philosophen und
fortsetzen. Historiker, Politik-, Wirtschafts- und Medienwissenschaftler
mit Ingenieur- und Naturwissenschaftlern. Hier wird unter-
Das Zukunftskonzept sucht, wie sich Technikwissenschaften und Gesellschaft ge-
TUM. THE ENTREPRENEURIAL UNIVERSITY genseitig beeinflussen. Mit der Vielfalt der Menschen und wie
TUM Tenure Track, der neue durchgängige Karriereweg für Gesellschaften davon profitieren können, beschäftigt sich
Nachwuchswissenschaftler, stellt einen Paradigmenwech- das ANNA BOYKSEN DIVERSITY RESEARCH CENTER. Im
sel im deutschen Berufungssystem dar. Das Programm Zentrum der Forschung steht hier die Frage, wie die gemein-
bietet jungen Talenten mit Auslandserfahrung eine Per- same Teilhabe unterschiedlich geprägter Menschen die Na-
spektive, wie sie vom Assistant über den Associate zum tur-, Ingenieur- und Lebenswissenschaften befruchten kann.
Full Professor aufsteigen können. Zugelassen werden Aus der bereits 2010 gegründeten MUNICH SCHOOL OF
Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, die sich in ei- ENGINEERING (MSE) wird nun ein Zentrum für Grüne Tech-
nem Evaluierungswettbewerb mit harten Qualitätskriterien nologien. Die School koordiniert TUM.Energy, den künftig
durchsetzen. Bis 2020 wird die TUM – teilweise gemeinsam stärksten Forschungsschwerpunkt der TU München, in dem
mit der Max-Planck-Gesellschaft – 100 neue Professuren Wissenschaftler aus nahezu allen Fakultäten nachhaltige
einrichten. Die TUM flankiert das Programm mit aufeinan- Energieversorgung und Mobilität erforschen. Das Zentrum
26 Faszination Forschung 10 / 12Sie können auch lesen
