frohe weihnachten und ein glückliches neues jahr 2014! - Österreich ...

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ÖSTERREICH JOURNAL NR. 126 / 23. 12. 2013 Wissenschaft & Technik 100 Auf der Suche nach der Struktur des Universums Die Theorie ist die logische Fortsetzung der sogenannten „AdS-CFT-Korrespondenz“, einer 1997 aufgestellten Vermutung, die seither die Forschung an den fundamentalen Fragen der Physik stark beeinflusst hat: Sie beschreibt einen merkwürdigen Zusammenhang zwischen Gravitationstheorien und Quantenfeldthorien – zwei Bereiche, die auf den ersten Blick gar nichts miteinander zu tun haben müßten. In bestimmten Grenzfällen, so sagt die AdS-CFT-Korrespondenz, lassen sich Aussagen der Quantenfeldtheorie in Aussagen von Gravitationstheorien überführen und umgekehrt. Das klingt zunächst ähnlich merkwürdig, als würde man das Herunterfallen eines Steins studieren, indem man die Temperatur heißer Atome in einem Gas berechnet. Zwei ganz unterschiedliche physikalische Gebiete werden in Verbindung gebracht – aber es funktioniert. Die Quantenfeldtheorie kommt dabei immer mit einer Dimension weniger aus als die dazugehörige Gravitationstheorie – das bezeichnet man als „holographisches Prinzip“. Ähnlich wie ein zweidimensionales Hologramm ein dreidimensionales Objekt darstellen kann, kann eine Quantenfeldtheorie mit zwei Raumdimensionen eine physikalische Situation in drei Raumdimensionen beschreiben. Korrespondenz auch für flache Raumzeit Die Gravitationstheorien müssen dafür allerdings in einer Raumzeit mit einer exotischen Geometrie definiert werden – in sogenannten „Anti-de-Sitter-Räumen“, deren Geometrie von der flachen Geometrie unserer Alltagserfahrung deutlich abweicht. Es wurde schon seit langem vermutet, daß es eine ähnliche Version dieses „holographischen Zusammenhangs“ auch für flache Raumzeiten geben könnte, aber es mangelte bisher an konkreten Modellen, die diesen Zusammenhang belegten. Letztes Jahr wurde von Daniel Grumiller und Kollegen erstmals so ein Modell aufgestellt (der Einfachheit halber in bloß zwei Raumdimensionen). Das führte schließlich zur aktuellen Fragestellung: Daß es in den Quantenfeldtheorien einen Phasenübergang gibt, wußte man. Doch das bedeutete, dass es aus Konsistenzgründen auch auf der Gravitatations-Seite einen Phasenübergang geben muß. „Das war zunächst ein Rätsel für uns“, sagt Daniel Grumiller. „Das würde einen Reifenwechsel bei voller Fahrt JKU-Informatiker revolutioniert Serverwartung Wer kennt es nicht: Die Computersysteme müssen gewartet werden, die Ar- unzähliger Java-Programmierer weltweit. Er Dissertation erfüllte Würthinger den Wunsch beit ruht – meist ausgerechnet, wenn man schuf einen DCE-Algorithmus, der quasi ein mitten im Stress ist. Aber für Updates war es „Nebenuniversum“ erstellt, das parallel zum bislang nötig, die Systeme abzuschalten und laufenden Programm existiert. Dann wird das neu zu starten. Dies war ein großes Problem Originalprogramm sequentiell angepaßt. für komplexe Serversysteme, das zu lösen „Das war die eigentliche Schwierigkeit. Programme haben einen bestimmten Ist-Zu- eines der wichtigsten Ziele großer Softwarefirmen war. Gelungen ist es Thomas Würthinger in seiner JKU-Dissertation „Dynamic crash“, beschreibt Würthinger den Knackstand – verändert man den, droht ein System- Code Evolution for Java“. punkt des Vorgangs. In seiner Arbeit konnte „Oracle“ ist einer der größten Softwareentwickler weltweit mit über 115.000 Mitar- er auch dieses Problem lösen. beiterInnen und 37 Milliarden Dollar Jahresumsatz. In Österreich betreibt das Unternehmen allerdings nur ein einziges Forschungslabor, und das an der JKU. „Die JKU-Informatik hat bei Oracle einen so guten Ruf, daß das Oracle-Labor an der JKU sogar das größte Europas ist“, zeigt sich Prof. Hanspeter Mössenböck (Leiter des Instituts für Systemsoftware) stolz auf den Erfolg. Die Kooperation läuft bereits seit zwölf Jahren, die neue Technik, um die Struktur von Programmen zu ändern, während sie weiterlaufen, ist ein Highlight dieser Zusammenarbeit. Reifenwechsel während der Fahrt „Ein Programm zu ändern, das gerade läuft, ist ein sehr komplizierter Vorgang“, erklärt Prof. Mössenböck. „Es ist, als würde man bei voller Fahrt die Reifen eines Autos wechseln.“ Dennoch ist es enorm wichtig: Das Starten großer Anwendungen ist zeitaufwendig, die Programme können beim Runterfahren Daten verlieren. „Vor allem aber laufen viele Serversysteme rund um die Uhr. Man muß nur an Online-Shops denken – hier bedeutet eine längere Systemwartung einen massiven wirtschaftlichen Verlust“, so Würthinger. Kein Wunder also, daß die Lösung des Problems unter den Top 4 der Prioritätsliste der Java-Programmierer stand. In seiner Phasenübergang zwischen einer leeren Raumzeit und einem expandierenden Universum bedeuten, und das erschien uns zunächst äußerst unwahrscheinlich.“ Die Rechenergebnisse zeigten dann aber, daß genau diesen Übergang tatsächlich gibt. „Wir beginnen erst, diese Zusammenhänge zu verstehen“, meint Daniel Grumiller. Welche Erkenntnisse über unser eigenes Universum wir dadurch ableiten können, ist heute noch gar nicht absehbar. • http://www.tuwien.ac.at Zahlreiche Würdigungen Kein Wunder also, daß er am 3. Dezember den „Heinz Zemanek Preis der Österreichischen Computergesellschaft“ verliehen bekam. Dabei handelt es sich um den größten Dissertationspreis des Landes, der alle zwei Jahre für die beste Informatik-Dissertation verliehen wird. Nicht die erste Auszeichnung für Würthinger: Der zweitjüngste Doktor der Technisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät der JKU wurde bereits mit dem Preis des Vereins Deutscher Ingenieure und mehreren Würdigungspreisen des Bundesministeriums für Wissenschaft und Forschung ausgezeichnet. Oracle hat dem heute 27jährigen bereits die Leitung seines österreichischen Forschungslabors übertragen. Dazu steht Würthinger in regem Austausch mit der Konzernzentrale im Silicon Valley (USA). In der Heimat wird natürlich auch in Würthingers Abwesenheit fleißig weiter geforscht. Die überwiegende Mehrheit der LabormitarbeiterInnen sind Informatiker, die an der JKU ausgebildet wurden. „Das beweist nicht nur die hohe Qualität einer Informatik-Ausbildung an der JKU, sondern bestätigt auch unsere sehr praxisbezogenen Lehrgänge“, freut sich Prof. Mössenböck über den Erfolg der JKU-Informatiker. http://www.jku.at • »Österreich Journal« – http://www.oesterreichjournal.at
ÖSTERREICH JOURNAL NR. 126 / 23. 12. 2013 Wissenschaft & Technik Die Vermessung von Molekülen Uni-Graz-Physiker sind dem Geheimnis von Elektronenzuständen auf der Spur. Seit dem Nobelpreisträger Erwin Schrödinger träumen PhysikerInnen und ChemikerInnen davon, quantenmechanische Orbitale von Elektronen in Atomen, Molekülen und Festkörpern zu messen. In der Quantentheorie bestimmen diese Orbitale die Eigenschaften aller Materie. Den Arbeitsgruppen von Ass.-Prof. Peter Puschnig und Ao.Univ.-Prof. Michael Ramsey am Institut für Physik an der Karl-Franzens- Universität Graz ist es gelungen, Elektronenorbitale von Molekülen sichtbar zu machen. Dabei wurden sie von KollegInnen des deutschen „Forschungszentrums Jülich“ unterstützt. Die Ergebnisse dieser exzellenten Grundlagenforschung aus dem universitären Forschungsschwerpunkt „Modelle und Simulation“ wurden nun in der aktuellen Ausgabe des renommierten Fach-Journals „Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS)“ publiziert. In der Physik werden Elektronen nicht nur als Teilchen, sondern auch als Wellen beschrieben. In der Quantentheorie wird die Wellennatur mathematisch durch die räumliche Wellenfunktion, das Orbital, erfaßt. „Orbitale beinhalten Informationen über die räumliche Verteilung der Elektronen bei einer bestimmten Energie. Sind sie bekannt, lassen sich alle relevanten Eigenschaften des Systems ableiten“, erklärt Puschnig. „Die Wellenfunktion selbst ist jedoch keine direkt beobachtbare Größe, die sich im Experiment bestimmen läßt.“ Deshalb waren die ForscherInnen überrascht, als sie kürzlich mit aus, die auf einer Silberoberfläche adsorbiert ist. Die Messung der Energie- und Ultraviolette Photonen schießen Elektronen aus einer Molekülschicht (grün) her- Winkelverteilung der emittierten Elektronen liefert nach Anwendung eines iterativen mathematischen Verfahrens, die Elektronenorbitale des Moleküls (rot / blau). Hilfe eines experimentellen Aufbaus und eines mathematischen Tricks die vollständige Wellenfunktion inklusive deren Phasenbeziehung für eine Reihe von organischen Molekülen bestimmen konnten. Vermessung von Orbitalen Für ihre Untersuchungen verwendeten sie einen einfachen und unkonventionellen Zugang: In ihrem Versuchsaufbau bedienten sie sich des Photoeffekts und schossen mit Hilfe von ultraviolettem Licht die Elektronen förmlich aus den Molekülen heraus. Die anschließende Vermessung der Energie- und Winkelverteilung der Elektronen gab Aufschluß über deren Bindungsenergie und räumliche Verteilung im Molekül. Bei dieser Meßmethode geht allerdings eine wichtige Foto: Uni Graz / Lüftner Information, die Phasenbeziehung, verloren. Bei der Rekonstruktion dieser fehlenden Information kommt den PhysikerInnen etwas zugute, das mit den mathematischen Eigenschaften der „Fourier-Transformation“ zu tun hat: „Wenn man die räumliche Ausdehnung der Wellenfunktion kennt, die durch die Größe des Moleküls vorgegeben ist, so kann die fehlende Phase durch ein mathematisches Verfahren schrittweise rekonstruiert werden“, klärt der Doktorand Daniel Lüftner auf. Daß dieses Verfahren funktioniert, konnte am Beispiel von fünf Molekülorbitalen gezeigt werden. Diese rekonstruierten Orbitale werfen nicht nur ein neues Licht auf das theoretische Konzept »Österreich Journal« – http://www.oesterreichjournal.at von Orbitalen, sondern liefern wichtige Einblicke in das Verhalten von Elektronen an Grenzflächen zwischen Metallen und organischen Halbleitern. Die Arbeit ist Teil des vom FWF – Der Wissenschaftsfonds geförderten Projekts „Understanding photoemission of organic molecular films“. http://www.uni-graz.at 101 Publikation „Imaging the wave functions of adsorbed molecules“. Daniel Lüftner, Thomas Ules, Eva Maria Reinisch, Georg Koller, Serguei Soubatch, F. Stefan Tautz, Michael G. Ramsey, Peter Puschnig Proceedings of the National Academy of Sciences, PNAS, 2013, published online http://www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1315716110 •
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