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Molekül aus Photonen

13.10.2013

Erstmals war es möglich, Photonen zu einem Molekül zusammenzufügen – selbst das Theoretisieren dieses Themas hat in der Wissenschaftsgemeinde bisher heftige Diskussionen ausgelöst. Den Physikern Professor Mikhail Lukin von Harvard und Professor Vladan Vuletic vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) ist es tatsächlich gelungen, aus Lichtteilchen eine neue Form von Materie zu erschaffen. Die Entdeckung der Wissenschaftler widerspricht der jahrzehntelangen konventionellen Weisheit über die Natur des Lichts. Es wurde lange angenommen, dass Photonen masselose Teilchen sind, die nicht miteinander wechselwirken. Einfach ausgedrückt gehen zwei Lichtstrahlen einfach durcheinander. Die von Wissenschaftlern geschaffenen „photonischen Moleküle“ verhalten sich jedoch ganz anders und machen theoretisch bisher Unglaubliches möglich, wie etwa das Lichtschwert aus Star Wars.

„Die meisten Eigenschaften des Lichts, die wir kennen, hängen mit der fehlenden Masse von Photonen und der Tatsache zusammen, dass sie nicht miteinander interagieren“, erklärt Mikhail Lukin, „wir haben eine besondere Art von Medium geschaffen, darin Photonen interagieren so stark miteinander, dass "sie anfangen, sich so zu verhalten, als hätten sie Masse. Dadurch werden die Photonen zu Molekülen aneinander gebunden. Diese Art von gebundenem Photonenzustand wird von Theoretikern schon seit geraumer Zeit vorgeschlagen, ist es aber noch nicht beobachtet."

Wenn Photonen interagieren, stoßen sie gegeneinander und lenken sich gegenseitig ab. Das heißt, das Lichtschwert der Jedi, eine solide Lichtsäule, sieht angesichts der Entdeckung von Wissenschaftlern nicht mehr aus wie eine dumme Vorstellung von Science-Fiction. Um „normale“ masselose Photonen dazu zu zwingen, sich aneinander zu binden, pumpten Lukin und seine Kollegen Rubidium-Atome in eine Vakuumkammer und kühlten sie dann mit einem Laser auf eine Temperatur von mehreren Grad über dem absoluten Nullpunkt. Anschließend wurden mit extrem schwachen Laserpulsen einzelne Photonen in eine Wolke aus Rubitium-Atomen geschickt.

Wenn das Photon in die Wolke aus kalten Atomen eintritt, erregt seine Energie die Atome auf seinem Weg, wodurch das Photon erheblich langsamer wird. Die Energie des Photons wird von Atom zu Atom übertragen und das Photon verliert sie, aber am Ende fliegt es aus der Wolke heraus und bleibt derselbe Lichtimpuls wie vor dem Eintritt in die Wolke.

Wenn ein Photon die Wolke verlässt, bleibt seine Identität erhalten, wie es bei einem Lichtstrahl in einem Wasserglas der Fall ist. Bei Rubidium-Atomen ist dieser Vorgang etwas extremer – das Licht wird deutlich langsamer und verliert viel mehr Energie. Die Wissenschaftler waren jedoch von etwas anderem überrascht: Photonen kamen zusammen als ein Molekül aus der Wolke von Rubidiumatomen. Wie werden diese "Moleküle" gebildet und warum hat noch niemand solche Moleküle gesehen?

Der Effekt, durch den Photonen in eine spezielle Form von Materie umgewandelt werden, wird als Rydberg-Blockade bezeichnet. Sie beruht darauf, dass bei Anregung eines Atoms benachbarte Atome nicht im gleichen Maße angeregt werden können. In der Praxis bedeutet dies, dass, wenn zwei Photonen in eine Atomwolke fliegen, das erste Photon das Atom anregt und gezwungen ist, sich vorwärts zu bewegen, bevor das zweite Photon ein anderes Atom in der Nähe anregt. Einfach ausgedrückt, Photonen ziehen oder schieben sich gegenseitig, das heißt, sie interagieren miteinander wie Moleküle, wenn auch indirekt (über Rubidiumatome). Wenn die Photonen die Wolke jedoch verlassen, verlassen sie sie zusammen und nicht als einzelne Photonen.

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Erinnerung an künstliche DNA 16.04.2016

Es wurde ein System geschaffen, das verschiedene Informationen in synthetisierter DNA speichert und diese fehlerfrei wieder abruft.

Forscher der University of Washington und Microsoft haben ein System zum Speichern von Informationen über synthetisierte DNA beschrieben. Sie schafften es, verschiedene Arten von Informationen (Text, Bild, Ton) auf diese Weise nicht nur zu speichern, sondern auch genau zu lesen.

DNA-Moleküle, die von der Natur geschaffen wurden, um die genetischen Informationen lebender Organismen zu speichern, sind in der Lage, Informationen viele Millionen Mal dichter zu speichern als alle existierenden Technologien für digitale Speichermedien – Festplatten und optische Laufwerke, Flash-Laufwerke usw. Darüber hinaus kann DNA speichern Daten über mehrere Jahrhunderte sicher, im Gegensatz zu einem Zeitraum von mehreren Jahren bis zu zwei oder drei Jahrzehnten bei anderen Geräten. Die Dichtegrenze für DNA wird auf bis zu 1 Exabyte pro mm3 (1018 Bytes/mm3) mit einer Halbwertszeit von über 500 Jahren geschätzt. Bisher ist der Zugriff auf die auf diese Weise aufgezeichneten Informationen zwar sehr langsam (von einigen zehn Sekunden bis zu Stunden), sodass ein solches System nur für die Archivdatenspeicherung verwendet werden kann.

Die Kodierung erfolgt unter Verwendung der vier Grundbausteine der DNA: Adenin (A), Guanin (G), Cytosin (C) und Thymin (T). Diese Blöcke entsprechen den Codenummern. Da es vier davon gibt, werden die Binärzahlen vor der Codierung in einen Code mit anderer Basis umgewandelt. Im einfachsten Fall kann ein System zur Basis 4 verwendet werden, dann werden A, C, G, T auf die Ziffern 0, 1, 2, 3 abgebildet. Der Kodierungsprozess beispielsweise der binären Folge 01110001 soll diese ersetzen mit einem Huffman-Code in Basis 4 - 1301 und dann die Synthese einer DNA-Kette - STAS. Eine solche Codierung schützt jedoch nicht vor zahlreichen Fehlern, die während der DNA-Synthese auftreten, daher war es notwendig, ein spezielles Codierungsverfahren zu entwickeln, das die Wahrscheinlichkeit von Fehlern verringert, und darüber hinaus die Biotechnologie um Fehlerkorrekturschaltungen zu erweitern, die im Computerspeicher verwendet werden.

Die Forscher lösten auch das Problem des zufälligen Zugriffs auf Informationen, die auf einer großen Anzahl verschiedener DNAs gespeichert sind. Dazu lernten sie, Servicedaten ("Indizes") darin zu kodieren, um die benötigten Informationen zu finden. Mithilfe der in der Molekularbiologie verwendeten Polymerase-Kettenreaktion identifizierten sie die gewünschten Indizes und lasen die Daten anschließend mit DNA-Sequenzierungsmethoden aus.

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