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Es wurde ein Verfahren gefunden, um die Kräfte der optischen Wechselwirkung signifikant zu erhöhen

19.10.2017

Es ist bekannt, dass Licht ein Strom von Photonen ist. Und wenn zwei Lichtleiter, zum Beispiel Lichtwellenleiter, eng beieinander liegen, dann ziehen sich diese Lichtleiter durch die Bewegung von Photonen an oder stoßen sich gegenseitig ab. Dieser Einfluss von Leitern entsteht durch die sogenannten optischen Wechselwirkungskräfte, deren Wirkung jedoch äußerst schwach ist, um in der Praxis genutzt zu werden.

Physiker der Chalmers University of Technology und der Freien Universität Brüssel haben eine Methode gefunden, um die optische Leistung deutlich zu erhöhen. Diese Methode eröffnet Wissenschaftlern auf dem Gebiet der Nanotechnologie viele Möglichkeiten bei der Entwicklung neuer optoelektronischer Geräte und Sensoren.

Um Licht zu einem völlig neuen Verhalten zu bringen, haben Wissenschaftler Lichtleiter aus künstlichem Material entwickelt, deren Struktur es ihnen ermöglicht, Photonen „auszutricksen“. Die Struktur dieses Materials zwingt alle Photonen des Lichtstroms dazu, sich zu verschieben und zu bewegen, wobei sie sich nur in der Nähe einer Seite des Wellenleiters konzentrieren. Wenn sich Photonen in einem benachbarten Wellenleiter ebenso bewegen, dann erhöht sich bei einer bestimmten gegenseitigen Anordnung der Wellenleiter die Wechselwirkungskraft zwischen ihnen um den Faktor 10.

„Photonen ist es normalerweise egal, auf welchem Teil des Wellenleiters sie sich bewegen“, sagt Philippe Tassin, Professor an der Chalmers University of Technology.

Eine Erhöhung der Konzentration von Photonen am Rand eines Wellenleiters und eine Erhöhung der Wechselwirkungskräfte zwischen Wellenleitern können verwendet werden, um winzige Nanomotoren zu erzeugen. Solche Nanomotoren, die mit Lichtenergie betrieben werden, können die Arbeit von Nanomechanismen übernehmen, die verschiedene Aufgaben erfüllen, zum Beispiel lebende Zellen und Nanopartikel sortieren, und Nanoroboter, die direkt im menschlichen Körper arbeiten.

„Die Photonenkonzentrationsmethode eröffnet neue Möglichkeiten, Wellenleiter als ‚künstliche Muskeln‘ winziger Maschinen zu nutzen“, sagt Vincent Ginis, Wissenschaftler an der Freien Universität Brüssel, die die Prinzipien des Lichtverhaltens und seine grundlegenden Parameter drastisch verändern. Ich hoffe, wir werden in der Lage sein, noch viele weitere Anwendungen für Licht zu finden, das durch die Materialien, durch die es sich zu einem bestimmten Zeitpunkt bewegt, "verändert" wird."

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Alkoholgehalt von warmem Bier 07.05.2024

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Wie verändert sich die Wahrnehmung von Gerüchen? 25.06.2016

Wissenschaftler des RIKEN-Instituts für Hirnforschung in Japan konnten in einem Experiment mit Fruchtfliegen die Gehirnprozesse modellieren, die für die Wahrnehmung von Gerüchen verantwortlich sind, und fanden heraus, dass sich Vorlieben je nach Situation ändern können.

Am Prozess der Geruchswahrnehmung sind kleine neurale Strukturen des Gehirns, die sogenannten Glomeruli oder Glomeruli, beteiligt. Ein Mensch hat ungefähr 5500 solcher Strukturen, eine Maus hat ungefähr 1800. Aber die Fruchtfliege hat nur 50 davon, während die Funktionen und die Organisation dieses Systems denen von Säugetieren ähneln, so dass es bequem ist, die Arbeit des Geruchssinns zu studieren System an ihrem Beispiel. Die Wissenschaftler nutzten die Zwei-Photonen-Kalzium-Bildgebung, um die Reaktion von Fliegenhirnzellen auf eine Vielzahl von Geruchsstoffen aufzuzeichnen.

Das Verhalten der Fliegen wurde mit einem eigens erstellten Virtual-Reality-System gesteuert. Der Kopf der Fliege wurde fixiert und um ihn herum wurde eine olfaktorische und visuelle Landschaft geschaffen, die sich in Echtzeit als Reaktion auf die Bewegung der Flügel des Insekts drehte. Fliegen im Experiment zeigten eine breite Palette von Reaktionen auf Gerüche, von starker Anziehung bis zu starkem Ekel, und sie brauchten in der Regel nicht mehr als 200 Millisekunden, um Entscheidungen zu treffen.

Basierend auf diesen Daten erstellten die Forscher ein mathematisches Modell, das das Verhalten der Fliege und die Aktivität der olfaktorischen Glomeruli korreliert. Das Modell geht davon aus, dass jeder Glomerulus den einen oder anderen Beitrag zur Anziehung oder Abstoßung eines bestimmten Geruchs leistet. Die Summe dieser Beiträge entsprach nicht nur den tatsächlichen Verhaltensreaktionen der Fliegen auf die im Experiment verwendeten Gerüche, sondern auch genau vorhergesagten Reaktionen auf neue Gerüche. Entgegen der landläufigen Hypothese zeigten die Ergebnisse, dass die Reaktion auf jeden Geruch nicht nur von einem kleinen Teil der Glomeruli abhängt, sondern wahrscheinlich die Arbeit der meisten, wenn nicht aller, erfordert.

Das Modell sagt auch voraus, wie Geruchspräferenzen in Abhängigkeit von der Anwesenheit anderer Geruchsstoffe in der Umgebung variieren oder sich sogar umkehren. Eine Reihe von Experimenten, in denen die gleichen Gerüche unter verschiedenen Bedingungen präsentiert wurden, bestätigten diese Vorhersagen.

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