Steffens Quantenspielzeug - wissenschaft.de
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Steffens Quantenspielzeug

Ein Münchner Professor hat verblüffende Parallelen zwischen Spielzeugpendeln und der Quantenmechanik gefunden.

Richard Ernst klopfte Steffen Glaser auf die Schulter. „Ein sehr interessanter Vortrag“, lobte der Professor von der ETH Zürich seinen jungen Gast. Das war 1991 – nur wenige Tage, nachdem das schwedische Nobelpreiskomitee bekannt gegeben hatte, dass Ernst für seine Arbeiten zur Magnetresonanzspektroskopie den Nobelpreis für Chemie erhielt. Glaser, damals 33, freute sich über die Anerkennung, auch wenn sein berühmter Schweizer Kollege einschränkte: „Sie wissen ja, die exakte Analogie zwischen Pendeln und dem Spin von Atomkernen gilt im Allgemeinen nur für zwei gekoppelte Spins.“ Glaser nahm’s zur Kenntnis und fuhr heim nach Frankfurt, wo er an der Universität an seiner Habilitation arbeitete.

Heute ist Steffen Glaser selbst Professor am Institut für Organische Chemie und Biochemie der Technischen Universität München und renommierter Forscher auf dem Gebiet der Quanten- Informationsverarbeitung und der kernmagnetischen Resonanz. Inzwischen hat Richard Ernst ihm zu dem Nachweis gratuliert, dass es zwischen gekoppelten mechanischen Pendeln und den Spins von Atomkernen weit engere Parallelen gibt, als beide 1991 gedacht hatten. Das ist umso bemerkenswerter, als die Beispiele für exakte Analogien zwischen klassischer Physik und Quantenphänomenen rar sind.

Worum geht es? Durch den Spin, den Eigendrall, werden Atomkerne zu kleinen Magneten. Sie können ihre Magnetisierung in so genannten TOCSY-Experimenten austauschen – eine Methode, die Richard Ernst Anfang der achtziger Jahre entwickelt hat. Diesen Magnetisierungsaustausch nutzen die Chemiker, um für jeden einzelnen Kernspin eines komplexen Moleküls – zum Beispiel eines Proteins – die Oszillationsfrequenz in einem starken Magnetfeld eindeutig zu ermitteln. Dies bildet die Grundlage für die Bestimmung der räumlichen Struktur und der dreidimensionalen Faltung von Proteinen – ohne dass man davon Kristalle züchten müsste.

Steffen Glaser hatte für wissenschaftliche Vorträge und für seine Studenten ein Pendel gebaut, das den Austausch der Magnetisierung zwischen magnetisch gekoppelten Kernspins im TOCSY-Experiment anschaulich machen sollte. Er nahm eines der bekannten Spielzeugpendel mit fünf Kugeln, bei denen man auf der einen Seite eine oder mehrere Kugeln fallen lässt und dann auf der anderen Seite ebenso viele Kugeln weggestoßen werden. Glaser schnitt die Kugeln Nummer zwei und vier heraus und verband die übrigen drei Kugeln mit Gummibändern. Schon Ernst hatte gezeigt, dass zwei gekoppelte Pendel ihre Energie exakt so austauschen wie zwei Atomkerne ihre Magnetisierung während des TOCSY-Experiments.

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Das Spielzeug, das Glaser damals bei seinem Vortrag in Zürich gezeigt hatte, besaß aber drei Pendel. Jahrelang ging auch Glaser davon aus, dass es nur eine qualitative, jedoch keine quantitative Analogie zwischen klassischer Mechanik und Quantenmechanik für drei gekoppelte Spins beziehungsweise Pendel geben kann, da in der Quantenphysik die Komplexität eines Systems sehr viel schneller mit der Teilchenzahl ansteigt als in der klassischen Physik. Dieser Unterschied bildet unter anderem die Basis für das enorme Potenzial zukünftiger Quantencomputer.

Doch dann rechneten Glaser und sein damaliger Doktorand Raimund Marx den Spezialfall gleicher Pendellängen nach und verglichen ihn mit dem Verhalten von Kernspins in Richard Ernsts TOCSY-Experiment. Zu ihrer Überraschung zeigte sich, dass die exakte Analogie in diesem Fall selbst für drei Spins besteht – allerdings nur im Grenzfall schwacher Kopplung, wenn also der Austausch von Energie beziehungsweise Magnetisierung langsam ist im Vergleich zur Schwingungsdauer der einzelnen Pendel.

Dieser Grenzfall lässt sich jedoch praktisch sehr gut annähern, sodass Glaser und Marx mit einer stabileren Apparatur aus drei massiven, durch Stahlfedern gekoppelten Pendeln mit präzise einstellbaren Schwingungsfrequenzen und Kopplungsstärken quantenmechanische Experimente sehr genau simulieren können. Bei einem Vierersystem gilt die exakte Analogie selbst im Fall des TOCSY-Experiments allerdings nicht mehr, fand das Duo Glaser und Marx heraus.

Die verblüffende Analogie mit drei Pendeln funktioniert auch für große Moleküle, zum Beispiel für Proteine, die aus einer Kette von Aminosäuren bestehen. Weil die Wasserstoff-Kerne in jeder Aminosäure ein isoliertes System gekoppelter Spins bilden, kann man diese getrennt simulieren. So bilden die Wasserstoff-Kernspins der Aminosäure Glycin ein Dreispin-System, dessen Verhalten sich in Ernsts TOCSY-Experiment exakt durch das Pendelmodell vorhersagen lässt. „Einerseits hilft die Pendelanalogie den Studenten, ein Gefühl zu bekommen, was und wie sie messen – andererseits hilft dieser intuitive Zugang zur Quantenmechanik auch Experten, neue und empfindlichere Methoden zur Untersuchung von Biomolekülen zu entwickeln“, sagt Glaser.

Woher sein Faible für die anschauliche Darstellung komplizierter Zusammenhänge kommt – da hat der 45-Jährige nur eine Vermutung. Vielleicht liege es an dem anderen Blickwinkel, den er als Physiker bei seinen Vorlesungen in organischer Chemie habe. Der hat sich ausgezahlt: Kürzlich erhielt Glaser einen Preis für gute Lehre des Freistaats Bayern.

Bernd Müller

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