Anwendungspotenzial langlebiger Kernspinzustände
Alle Atomkerne besitzen eine elektrische Ladung und meist auch einen Spin, sodass sie sich wie winzige Magnete verhalten. Wird ein solcher Kern einem externen Magnetfeld ausgesetzt, richtet sich sein magnetisches Moment am Moment dieses extern angelegten Magnetfelds aus. Dieses Phänomen, die sogenannte Kernspinresonanz (nuclear magnetic resonance, NMR), kommt in der NMR-Spektroskopie und Magnetresonanztomografie zum Einsatz.Über den Magnetisierungszustand der Kerne können auch Daten gespeichert werden werden. Doch obwohl der Kernmagnetismus enormes Anwendungspotenzial hat, ist dieser Zustand instabil und kurzlebig, was Sensitivität und „Speicherfähigkeit“ begrenzt. Unterstützt durch die Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen entwickelte das Projekt NuMagLongRx computergestützte Werkzeuge, mit denen sich die Eigenschaften neuer langlebiger Kernspinzustände berechnen lassen, um neue Methoden ohne diese beiden Nachteile entwickeln zu können.
Langlebige Kernspinzustände als Voraussetzung für neue Anwendungen der Kernspinresonanz
Langlebige Kernspinzustände wurden vor fast zwanzig Jahren erstmals von der Forschungsgruppe um Malcolm H. Levitt, dem Koordinator des Projekts NuMagLongRx an der Universität Southampton, beschrieben. Man hatte dort beobachtet, dass die Kernspinordnung bestimmter Moleküle bis zu einem gewissen Grad vor einigen häufig auftretenden Relaxationsmechanismen geschützt ist. Diese Ordnung ist ungewöhnlich langlebig bzw. geht deutlich über die normale Relaxationszeitkonstante hinaus (die durchschnittlich nicht länger als eine Sekunde ist). Solche Zustände eignen sich zum relativ langfristigen Speichern der Spinordnung, was völlig neue experimentelle Möglichkeiten eröffnet.
Berechnung langlebiger Kernspinzustände mittels Supercomputer und Quantenchemie
Obwohl mögliche Anwendungen für derart langlebige Kernspinzustände vielfältig sind, lässt sich deren Existenz und Dauer bislang kaum präzise berechnen. NuMagLongRx entwickelte daher Simulationsmodelle und Theorien für solche Berechnungen unter realistischen Bedingungen. Um die Bewegung der Moleküle in Simulationen darzustellen, kombinierte die Arbeitsgruppe Supercomputer und Molekulardynamik und berechnete mittels theoretischer Quantenchemie zudem, wie diese Bewegungen das Verhalten langlebiger Kernspinzustände beeinflussen. „Vergleiche der Simulationsergebnisse mit experimentellen Messungen zeigten, dass unsere bisherige Theorie die experimentellen Beobachtungen nicht vollständig erklären konnte. Wir entdeckten, dass ein Mechanismus, der in der Forschung bislang eher vernachlässigt wurde, wesentlich bedeutsamer ist als vermutet: Es handelt sich dabei um die Rotationsbewegung der an die Kerne koppelnden Moleküle in Lösung und die dadurch erzeugten kleinen Magnetfelder“, erklärt Levitt. Doch sobald die Arbeitsgruppe diesen kleinen Parameter in der theoretischen Beschreibung berücksichtigte, stimmten Simulation und Experiment deutlich mehr überein.
Bahnbrechende Forschung zu langlebigen Kernspinzuständen
„Unsere Arbeitsgruppe demonstrierte, dass mit langlebigen Kernspinzuständen Informationen bei Raumtemperatur mitunter länger als eine Stunde in einer Flüssigkeit gespeichert werden können. Damit sind sie herkömmlichen magnetischen Speichern bei gleicher Substanz und Bedingungen deutlich überlegen“, so Levitt. NuMagLongRx demonstrierte erstmals, dass die Relaxation langlebiger Kernspinzustände durch Kombination aus Molekulardynamik und Computerchemie verzögert werden kann, was den aktuellen Stand der Technik erweitert. Mit der Möglichkeit hochzuverlässiger Berechnungen der Zerfallsrate kernmagnetischer Informationen kann für viele Systeme wie Metaboliten in Bioflüssigkeiten auf zeit- und kostenaufwändige Messungen verzichtet werden. Wie Levitt zusammenfasst, „sind langlebige Kernspinzustände ein hervorragendes Beispiel für geschützte Quantenzustände, was auch für viele andere Bereiche wie Quantencomputing und Quanteninformationsverarbeitung relevant sein dürfte.“ NuMagLongRx trug so dazu bei, langlebige Kernspinzustände auch für NMR-Anwendungen zu erschließen.
Schlüsselbegriffe
NuMagLongRx, Kernspin, langlebige Kernspinzustände, langlebige Zustände, NMR, Kernspinresonanz, Molekulardynamik, Quantenchemie, Quantencomputing, Quanteninformationsverarbeitung
