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Ein Kernspin lässt sich mit optimierten Pulsen zehnmal schneller umkehren
Elektromagnetische Pulse verändern den Zustand quantenphysikalischer Spins, doch ihre genaue Form bestimmt Tempo und Genauigkeit. Eine aktuelle Fachübersicht zeigt, wie mathematisch optimierte Pulsfolgen Kernspins deutlich schneller umkehren und inzwischen auch komplexe Zustände von Atomen und Molekülen zugänglich machen. Dafür müssen die Eigenschaften des jeweiligen Quantensystems allerdings möglichst genau bekannt sein.
Berlin (Deutschland). Der Spin ist eine quantenmechanische Eigenschaft von Teilchen, die sich nicht als gewöhnliche Drehbewegung verstehen lässt. Dennoch lässt sich der Zustand eines Spins mithilfe sorgfältig abgestimmter elektromagnetischer Felder verändern. Wie zuverlässig das gelingt, hängt auch von der zeitlichen Form der eingesetzten Pulse ab.
Auf dieser Steuerung beruhen etablierte Verfahren wie die Magnetresonanztomographie (MRT) in der Medizin und die Kernspinresonanzspektroskopie (NMR). Letztere nutzt das Verhalten von Atomkernen, um beispielsweise die räumliche Struktur von Proteinen zu erschließen. Beide Verfahren profitieren davon, wenn sich Spins möglichst schnell und präzise in bestimmte Zustände bringen lassen.
Eine internationale Autorengruppe mit dem Erstautor Prof. Dr. Steffen J. Glaser von der Technischen Universität München (TUM) hat die Entwicklung dieser sogenannten optimalen Quantenkontrolle nachgezeichnet. Die Fachübersicht bündelt frühere theoretische und experimentelle Fortschritte von der Kernspinresonanz bis zur Steuerung einzelner Atome und Moleküle. Sie ist keine neue Einzelmessung, sondern ordnet die bereits erreichten Möglichkeiten und ihre Grenzen ein.
Während Forscher anfänglich vor allem zusammengesetzte oder nach Erfahrung geformte Pulse entwickelten, lassen sich geeignete Feldverläufe heute systematisch berechnen. Optimierungsverfahren berücksichtigen dabei das physikalische Modell, den angestrebten Zielzustand und die verfügbaren Steuerfelder. Auf diese Weise können Computer Tausende einzelner Stellgrößen einer Pulsfolge aufeinander abstimmen.
Entscheidend ist dabei nicht nur, dass ein gewünschter Zustand erreicht wird. Der Eingriff soll möglichst schnell, genau und unempfindlich gegenüber unvermeidlichen Abweichungen ablaufen. Die Berechnung kann deshalb auch praktische Grenzen der verwendeten Geräte berücksichtigen, etwa bei der Magnetresonanztomographie.
„Die Frage dahinter ist sehr praktisch“, erklärt Prof. Dr. Christiane Koch von der Freien Universität Berlin. „Wenn ich ein Quantensystem und bestimmte Felder zur Verfügung habe: Wie erreiche ich den gewünschten Zustand so schnell, zuverlässig und genau wie möglich – und wie gut kann das prinzipiell überhaupt gelingen?“
Wie groß der Gewinn ausfallen kann, zeigt ein von den Autoren angeführtes Beispiel aus der Kernspinresonanz. Optimierte Pulse können einen Kernspin etwa zehnmal schneller umkehren als zuvor verwendete herkömmliche Pulse. Dieser Vergleich beschreibt einen Fortschritt aus der bisherigen Forschung und keinen neu gemessenen Durchschnittseffekt für sämtliche Spins oder Geräte.
Die Verfahren reichen inzwischen weit über klassische Kernspinexperimente hinaus. Bei chiralen Molekülen, deren zwei Formen sich wie Bild und Spiegelbild verhalten, können berechnete Mikrowellenpulse eine Form in einen ausgewählten Quantenzustand überführen, ohne die andere entsprechend zu verändern. Eine solche Unterscheidung könnte künftig helfen, beide Molekülformen gezielt voneinander zu trennen.
Auch an einzelnen Atomen können optimierte Pulsfolgen die Präparation anspruchsvoller Zustände erleichtern. In früheren Experimenten gelang so unter anderem ein nichtklassischer Überlagerungszustand, bei dem verschiedene atomare Konfigurationen gleichzeitig Teil der quantenmechanischen Beschreibung sind. Für diesen speziellen Zustand war zuvor kein geeignetes Präparationsverfahren verfügbar.