Cavity cooling of an optically levitated nanoparticle

The ability to trap and to manipulate individual atoms is at the heart of current implementations of quantum simulations, quantum computing, and long-distance quantum communication. Controlling the motion of larger particles opens up yet new avenues for quantum science, both for the study of fundamental quantum phenomena in the context of matter wave interference, and for new sensing and transduction applications in the context of quantum optomechanics. Specifically, it has been suggested that cavity cooling of a single nanoparticle in high vacuum allows for the generation of quantum states of motion in a room-temperature environment as well as for unprecedented force sensitivity. Here, we take the first steps into this regime. We demonstrate cavity cooling of an optically levitated nanoparticle consisting of approximately 10e9 atoms. The particle is trapped at modest vacuum levels of a few millibar in the standing-wave field of an optical cavity and is cooled through coherent scattering into the modes of the same cavity. We estimate that our cooling rates are sufficient for ground-state cooling, provided that optical trapping at a vacuum level of 10e-7 millibar can be realized in the future, e.g., by employing additional active-feedback schemes to stabilize the optical trap in three dimensions. This paves the way for a new light-matter interface enabling room-temperature quantum experiments with mesoscopic mechanical systems.Comment: 14 pages, 6 figure

Einsatz und Evaluierung eines evolutionären IT-Konzepts für ein integriertes klinisches Informationssystem

Der erfolgreiche Einsatz von Informationstechnologie (IT) ist von wachsender Bedeutung für den Erfolg eines Unternehmens wie einem Universitätsklinikum. IT-Systeme im klinischen Umfeld sind jedoch Teil eines komplexen soziotechnischen Systems und haben nur nachhaltigen Erfolg, wenn sie sich eng an den Bedürfnissen der Endanwender orientieren und schnell auf geänderte Anforderungen reagieren können. Für die Neueinführung wesentlicher Komponenten des Marburger Krankenhausinformationssystems (KIS) wurde ab 1997 ein IT-Konzept erarbeitet. Dieses Konzept wird im ersten Teil der vorliegenden Arbeit vorgestellt. Aus Zeit- und Kostengründen musste zunächst eine sogenannte "Big-Bang"-Vorgehensweise für die schnelle klinikumsweite Einführung wichtiger Basisfunktionen gewählt werden. Um das damit verbundene hohe Projektrisiko zu minimieren wurde die "Big-Bang"-Phase auf das Nötigste begrenzt und für den weiteren Ausbau des KIS ein inkrementeller Ansatz zur bedarfsorientierten Softwareevolution verfolgt. Er soll die Möglichkeit bieten, neue und geänderte Anforderungen schnell und effektiv unter enger Einbeziehung der Endanwender umzusetzen. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, den Erfolg und die Tragfähigkeit dieses Ansatzes im praktischen Einsatz zu bewerten. Dazu wurde ausgehend von den wesentlichen Faktoren für den Erfolg eines IT-Systems ein Evaluationskonzept erarbeitet, das verschiedene qualitative und quantitative Methoden kombiniert. Dazu gehören: die Messung von Kennzahlen zum Ausbau des KIS (Umfang von Infrastruktur, Funktionalität und Nutzung, Projektierungsaufwand sowie Systemantwortzeiten), quantitative Vergleiche der Anwenderzufriedenheit vor und nach der Verwendung des inkrementellen Vorgehensmodells, Interviews mit Anwendern sowie kontinuierliche Analysen zu Bedienbarkeit, Prozess- und Dokumentationsqualität als Teil der Softwareentwicklung. Diese Untersuchungen wurden in den Jahren 2000 bis 2005 begleitend zu klinischen Teilprojekten der KIS-Einführung vorgenommen. Da die Evaluierung von IT-Maßnahmen innerhalb einer Organisation eng mit der Anwendungsentwicklung und der Schulung der Benutzer verwoben ist, wurde die Evaluierung des IT-Konzepts durch eine Reihe sozialer und organisatorischer Faktoren erschwert. Diese Hindernisse und mögliche Schwächen der einzelnen Methoden werden dargestellt und diskutiert. Die Evaluierungsergebnisse bestätigen weitgehend die Hypothesen. Der "Big-Bang"-Ansatz zeigte die erwarteten Nachteile: funktionale Defizite, eine unzureichende Anpassung an die Prozesse und die persönliche Arbeitsweise der Nutzer sowie eine mäßige Anwenderzufriedenheit. Der für den weiteren Ausbau des KIS verfolgte inkrementelle Ansatz zur bedarfsorientierten Softwareevolution führte zu messbaren Verbesserungen. Die Kombination dieser Ansätze erwies sich als praktikabel. Es war mit relativ geringen Ressourcen möglich, ein KIS aufzubauen, das flächendeckend ein breites Spektrum an klinischer Funktionalität bereitstellt und dabei sowohl die Vorteile eines integrierten Systems als auch eine hohe Flexibilität und Anpassbarkeit aufweist. Dies spiegelt sich auch in einer signifikant gesteigerten Anwenderzufriedenheit nach Verwendung des inkrementellen Vorgehensmodells wider. Dabei erhöhten sich nur die Werte derjenigen Zufriedenheitsfaktoren, bei denen ein direkter kausaler Zusammenhang zur partizipativen, bedarfsorientierten Softwareentwicklung vermutet wird. Auch der Abgleich mit den gemessenen Systemantwortzeiten und den Ergebnissen aus den Interviews und Anwenderrückmeldungen scheint die Annahme zu bestätigen, dass diese positiven Effekte weitgehend durch das verwendete Vorgehensmodell und nicht durch mögliche Störgrößen wie eine erhöhte Systemperformanz oder eine intensivere Betreuung durch das IT-Personal zu erklären sind. Die Erfahrungen aus klinischen Teilprojekten zeigen außerdem, dass es auf der Basis des Marburger IT-Konzepts möglich ist, klinische Prozesse effektiv und bedarfsorientiert zu unterstützen. Mittels einer kontinuierlichen, projektbezogenen Beobachtung von Qualitätsindikatoren als Teil eines iterativen, partizipativen Softwareentwicklungsprozesses, der in einen umfassenden "Change-Management"-Prozess eingebettet ist, können zudem mögliche negative Auswirkungen einer IT-Intervention frühzeitig erkannt und schnell beseitigt werden. Abschließend werden Defizite des zum Einsatz gekommenen Werkzeugs diskutiert und es werden ausgehend vom Marburger IT-Konzept internationale Forschungsbestrebungen hin zu mehrschichtigen Service-orientierten Architekturen skizziert. Solche Architekturen und die konsequente Trennung verschiedener Belange der Softwareentwicklung stellen einen vielversprechenden Ansatz zur entwicklungsfähigen, organisationsübergreifenden IT-Unterstützung von Prozessen in "Gesundheitsnetzen" dar

Bacterial community structure and activity in different Cd-treated forest soils

In this study we compared indicators of Cd bioavailability (water extracts, Lakanen extracts, free ions) and ecotoxicity in forest soils with contrasting physico-chemical characteristics. Soil samples were treated with CdCl2 solutions (0, 0.1, 1, 10 and 100 mM) and incubated for 30 days. Microbial activity indexes (acid phosphatase, β-glucosidase, basal respiration) and changes in bacterial community structure using terminal restriction fragment length polymorphism (T-RFLP) fingerprinting were investigated. The Cd concentrations measured ranged from 1% to 37% of the total additions in water extracts, to higher levels in Lakanen extracts. Effects of Cd were observed at bioavailable concentrations exceeding United Nations/European Economic Commission UN/ECE guidelines for total Cd in the soil solution. Basal respiration was the most affected index, while enzymatic activities showed variable responses to the Cd treatments. We also noticed that soils with pH higher than 6.7 and clay content higher than 50% showed inhibition of basal respiration but no marked shift in bacterial community structure. Soils with lower pH (pH <5.8) with less clay content (<50%) showed in addition strong changes in the bacterial community structure. Our results provide evidence for the importance of relating the effects of Cd on the soil communities to soil properties and to bioavailabilit

Plasticity of Repetitive DNA Sequences within a Bacterial (Type IV) Secretion System Component

DNA rearrangement permits bacteria to regulate gene content and expression. In Helicobacter pylori, cagY, which contains an extraordinary number of direct DNA repeats, encodes a surface-exposed subunit of a (type IV) bacterial secretory system. Examining potential DNA rearrangements involving the cagY repeats indicated that recombination events invariably yield in-frame open reading frames, producing alternatively expressed genes. In individual hosts, H. pylori cell populations include strains that produce CagY proteins that differ in size, due to the predicted in-frame deletions or duplications, and elicit minimal or no host antibody recognition. Using repetitive DNA, H. pylori rearrangements in a host-exposed subunit of a conserved bacterial secretion system may permit a novel form of antigenic evasion

Cavity cooling of an optically levitated submicron particle

The coupling of a levitated submicron particle and an optical cavity field promises access to a unique parameter regime both for macroscopic quantum experiments and for high-precision force sensing. We report a demonstration of such controlled interactions by cavity cooling the center-of-mass motion of an optically trapped submicron particle. This paves the way for a light–matter interface that can enable room-temperature quantum experiments with mesoscopic mechanical systems

Immune Responses in Healthy and Allergic Individuals Are Characterized by a Fine Balance between Allergen-specific T Regulatory 1 and T Helper 2 Cells

The mechanisms by which immune responses to nonpathogenic environmental antigens lead to either allergy or nonharmful immunity are unknown. Single allergen-specific T cells constitute a very small fraction of the whole CD4+ T cell repertoire and can be isolated from the peripheral blood of humans according to their cytokine profile. Freshly purified interferon-γ–, interleukin (IL)-4–, and IL-10–producing allergen-specific CD4+ T cells display characteristics of T helper cell (Th)1-, Th2-, and T regulatory (Tr)1–like cells, respectively. Tr1 cells consistently represent the dominant subset specific for common environmental allergens in healthy individuals; in contrast, there is a high frequency of allergen-specific IL-4–secreting T cells in allergic individuals. Tr1 cells use multiple suppressive mechanisms, IL-10 and TGF-β as secreted cytokines, and cytotoxic T lymphocyte antigen 4 and programmed death 1 as surface molecules. Healthy and allergic individuals exhibit all three allergen-specific subsets in different proportions, indicating that a change in the dominant subset may lead to allergy development or recovery. Accordingly, blocking the suppressor activity of Tr1 cells or increasing Th2 cell frequency enhances allergen-specific Th2 cell activation ex vivo. These results indicate that the balance between allergen-specific Tr1 cells and Th2 cells may be decisive in the development of allergy

The Helicobacter pylori Genome Project : insights into H. pylori population structure from analysis of a worldwide collection of complete genomes

Helicobacter pylori, a dominant member of the gastric microbiota, shares co-evolutionary history with humans. This has led to the development of genetically distinct H. pylori subpopulations associated with the geographic origin of the host and with differential gastric disease risk. Here, we provide insights into H. pylori population structure as a part of the Helicobacter pylori Genome Project (HpGP), a multi-disciplinary initiative aimed at elucidating H. pylori pathogenesis and identifying new therapeutic targets. We collected 1011 well-characterized clinical strains from 50 countries and generated high-quality genome sequences. We analysed core genome diversity and population structure of the HpGP dataset and 255 worldwide reference genomes to outline the ancestral contribution to Eurasian, African, and American populations. We found evidence of substantial contribution of population hpNorthAsia and subpopulation hspUral in Northern European H. pylori. The genomes of H. pylori isolated from northern and southern Indigenous Americans differed in that bacteria isolated in northern Indigenous communities were more similar to North Asian H. pylori while the southern had higher relatedness to hpEastAsia. Notably, we also found a highly clonal yet geographically dispersed North American subpopulation, which is negative for the cag pathogenicity island, and present in 7% of sequenced US genomes. We expect the HpGP dataset and the corresponding strains to become a major asset for H. pylori genomics

Konfiguration verteilter Anwendungen aus vorgefertigten Programmbausteinen

Die effektive und effiente Wiederverwendung vorgefertigter Programmbausteine bildet eine wichtige Grundlage bei der Entwicklung verteilter Anwendungen. Die mit der Entwicklung flexibler Workflow-Anwendungen verbundene Komplexit�ät und die Nutzung vorgefertigter Dienste aus einem großen und vielf�ältigen Angebot erfordern die systemseitige Unterst�ützung des Entwicklers bei der Komposition verteilter Anwendungen aus vorgefertigten Programmbausteinen, insbesondere bei der Modellierung des Datenflusses. Ein großes Problem stellen dabei Unterschiede zwischen Dienstschnittstellen dar. Diese Diplomarbeit stellt einen Ansatz f�ür die semi-automatische Komposition von Workflow-Anwendungen aus vorgefertigten Programmbausteinen vor. Durch die Verwendung eines kontrollierten Vokabulars kann das Problem heterogener Schnittstellenbeschreibungen und Datenstrukturen bei der Modellierung des Datenflusses zwischen den in ein Ablaufger�üst einzusetzenden Programmbausteinen entsch�ärft werden. In der vorliegenden Arbeit wird gezeigt, wie ein solches kontrolliertes Vokabular f�ür die Beschreibung von Dienstparametern und bei der Konfiguration einer Workflow-Anwendung verwendet werden kann, um den Entwickler bei der Auswahl von Diensten und bei der Modellierung eines korrekten und vollst�ändigen Datenflusses zwischen den Diensten zu unterst�ützen. Dazu werden auf der Grundlage eines formalen Modells f�ür die Beschreibung von Workflows Kriterien f�ür einen korrekten und vollst�ändigen Datennfluß definiert. Es wird anhand m�öglicher Vorgehensweisen gezeigt, wie mit Hilfe eines kontrollierten Vokabulars Konflikte zwischen den Schnittstellenbeschreibungen der zu verkn�üpfenden Dienste erkannt und eliminiert werden k�önnen und wie man so beim Einstecken von Diensten in ein Ablaufgerüst zu einer korrekten und vollst�ändigen Datenflußmodellierung kommt

Einsatz und Evaluierung eines evolutionären IT-Konzepts für ein integriertes klinisches Informationssystem

Der erfolgreiche Einsatz von Informationstechnologie (IT) ist von wachsender Bedeutung für den Erfolg eines Unternehmens wie einem Universitätsklinikum. IT-Systeme im klinischen Umfeld sind jedoch Teil eines komplexen soziotechnischen Systems und haben nur nachhaltigen Erfolg, wenn sie sich eng an den Bedürfnissen der Endanwender orientieren und schnell auf geänderte Anforderungen reagieren können. Für die Neueinführung wesentlicher Komponenten des Marburger Krankenhausinformationssystems (KIS) wurde ab 1997 ein IT-Konzept erarbeitet. Dieses Konzept wird im ersten Teil der vorliegenden Arbeit vorgestellt. Aus Zeit- und Kostengründen musste zunächst eine sogenannte "Big-Bang"-Vorgehensweise für die schnelle klinikumsweite Einführung wichtiger Basisfunktionen gewählt werden. Um das damit verbundene hohe Projektrisiko zu minimieren wurde die "Big-Bang"-Phase auf das Nötigste begrenzt und für den weiteren Ausbau des KIS ein inkrementeller Ansatz zur bedarfsorientierten Softwareevolution verfolgt. Er soll die Möglichkeit bieten, neue und geänderte Anforderungen schnell und effektiv unter enger Einbeziehung der Endanwender umzusetzen. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, den Erfolg und die Tragfähigkeit dieses Ansatzes im praktischen Einsatz zu bewerten. Dazu wurde ausgehend von den wesentlichen Faktoren für den Erfolg eines IT-Systems ein Evaluationskonzept erarbeitet, das verschiedene qualitative und quantitative Methoden kombiniert. Dazu gehören: die Messung von Kennzahlen zum Ausbau des KIS (Umfang von Infrastruktur, Funktionalität und Nutzung, Projektierungsaufwand sowie Systemantwortzeiten), quantitative Vergleiche der Anwenderzufriedenheit vor und nach der Verwendung des inkrementellen Vorgehensmodells, Interviews mit Anwendern sowie kontinuierliche Analysen zu Bedienbarkeit, Prozess- und Dokumentationsqualität als Teil der Softwareentwicklung. Diese Untersuchungen wurden in den Jahren 2000 bis 2005 begleitend zu klinischen Teilprojekten der KIS-Einführung vorgenommen. Da die Evaluierung von IT-Maßnahmen innerhalb einer Organisation eng mit der Anwendungsentwicklung und der Schulung der Benutzer verwoben ist, wurde die Evaluierung des IT-Konzepts durch eine Reihe sozialer und organisatorischer Faktoren erschwert. Diese Hindernisse und mögliche Schwächen der einzelnen Methoden werden dargestellt und diskutiert. Die Evaluierungsergebnisse bestätigen weitgehend die Hypothesen. Der "Big-Bang"-Ansatz zeigte die erwarteten Nachteile: funktionale Defizite, eine unzureichende Anpassung an die Prozesse und die persönliche Arbeitsweise der Nutzer sowie eine mäßige Anwenderzufriedenheit. Der für den weiteren Ausbau des KIS verfolgte inkrementelle Ansatz zur bedarfsorientierten Softwareevolution führte zu messbaren Verbesserungen. Die Kombination dieser Ansätze erwies sich als praktikabel. Es war mit relativ geringen Ressourcen möglich, ein KIS aufzubauen, das flächendeckend ein breites Spektrum an klinischer Funktionalität bereitstellt und dabei sowohl die Vorteile eines integrierten Systems als auch eine hohe Flexibilität und Anpassbarkeit aufweist. Dies spiegelt sich auch in einer signifikant gesteigerten Anwenderzufriedenheit nach Verwendung des inkrementellen Vorgehensmodells wider. Dabei erhöhten sich nur die Werte derjenigen Zufriedenheitsfaktoren, bei denen ein direkter kausaler Zusammenhang zur partizipativen, bedarfsorientierten Softwareentwicklung vermutet wird. Auch der Abgleich mit den gemessenen Systemantwortzeiten und den Ergebnissen aus den Interviews und Anwenderrückmeldungen scheint die Annahme zu bestätigen, dass diese positiven Effekte weitgehend durch das verwendete Vorgehensmodell und nicht durch mögliche Störgrößen wie eine erhöhte Systemperformanz oder eine intensivere Betreuung durch das IT-Personal zu erklären sind. Die Erfahrungen aus klinischen Teilprojekten zeigen außerdem, dass es auf der Basis des Marburger IT-Konzepts möglich ist, klinische Prozesse effektiv und bedarfsorientiert zu unterstützen. Mittels einer kontinuierlichen, projektbezogenen Beobachtung von Qualitätsindikatoren als Teil eines iterativen, partizipativen Softwareentwicklungsprozesses, der in einen umfassenden "Change-Management"-Prozess eingebettet ist, können zudem mögliche negative Auswirkungen einer IT-Intervention frühzeitig erkannt und schnell beseitigt werden. Abschließend werden Defizite des zum Einsatz gekommenen Werkzeugs diskutiert und es werden ausgehend vom Marburger IT-Konzept internationale Forschungsbestrebungen hin zu mehrschichtigen Service-orientierten Architekturen skizziert. Solche Architekturen und die konsequente Trennung verschiedener Belange der Softwareentwicklung stellen einen vielversprechenden Ansatz zur entwicklungsfähigen, organisationsübergreifenden IT-Unterstützung von Prozessen in "Gesundheitsnetzen" dar