Durch Schütteln nicht gerührt

Physikern ist der Nachweis gelungen, dass Fluktuationstheoreme – das sind exakte mathematische Relationen, die es erlauben, von Messungen im Nicht-Gleichgewichtszustand eindeutig auf den Gleichgewichtszustand zu schließen – auch für offene quantenmechanische Systeme Gültigkeit haben. Bisher war diese Gültigkeit nur für makroskopische Systeme belegt sowie – im Nanobereich – für geschlossene, von ihrer Umwelt also isolierte quantenmechanische Systeme.

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Wie die Wissenschaftler um Professor Peter Hänggi, Professor Peter Talkner und Michele Campisi von der Universität Augsburg in der Fachzeitschrift „Physical Review Letters“ berichten, erweitert die Entdeckung schlagartig und entscheidend die Aussagekraft von Untersuchungen an winzigen Systemen, etwa an einzelnen Molekülen.

Enorme Bedeutung für zukünftige Anwendungen in der Nanotechnologie

„Wenn wir ein Molekül (…) schütteln und es sich dadurch insofern in keiner Weise ‚gerührt‘ zeigt, als es es uns erlaubt, mit Fluktuationstheoremen auf seinen ‚ungeschüttelten‘ Gleichgewichtszustand zu schließen, dann ist das von enormer Bedeutung für zukünftige Anwendungen in der Nanotechnologie und für das tiefere Verständnis biologischer Vorgänge, die quantenmechanische Aspekte aufweisen“, erläutert Hänggi.

Messungen bringen physikalisches System „aus dem Gleichgewicht“

Messungen an einem physikalischen System verändern dieses zumeist, es gerät durch die Messung „aus dem Gleichgewicht“. Das gilt zum Beispiel für elektronische Schaltungen. Ohne einen Strom durch sie zu schicken, kann man sie nicht untersuchen. Sie sind dann aber nicht mehr in Ruhe oder anders ausgedrückt: nicht mehr im Gleichgewichtszustand.

Physiker können trotzdem für solche Systeme aus den Messungen im Nicht-Gleichgewichtszustand eindeutig auf das System im Gleichgewichtszustand schließen. Dazu verwenden sie spezielle mathematische Beziehungen, die Fluktuationstheoreme.

Teilchen gehen „durch die Wand“

Dass diese für makroskopische Systeme gelten, ist schon seit Längerem bewiesen. Sind die untersuchten Systeme aber nur wenige Nanometer (Millionstel Millimeter) groß, dann gilt die herkömmliche „klassische“ Physik nicht mehr. Es treten dann quantenmechanische Phänomene auf, etwa der Tunneleffekt, der es ermöglicht, dass Teilchen quasi „durch die Wand gehen“. Für quantenmechanische Systeme konnte die Gültigkeit von Fluktuationstheoremen bisher nicht generell nachgewiesen werden.

Lediglich für den rein theoretischen Spezialfall von quantenmechanischen Systemen, die keine Verbindung zu ihrer Umgebung haben, wurden sie als gültig betrachtet. Den Augsburger Physikern ist es nun gelungen, die Gültigkeit von Fluktuationstheoremen auch für offene, also stark mit ihrer Umgebung wechselwirkende quantenmechanische Systeme nachzuweisen.

Schütteln mit optischen Pinzetten

Dieser Nachweis schafft eine wichtige Grundlage für die Erforschung vielfältiger Systeme in der Größenordnung weniger Nanometer. Das betrifft so unterschiedliche Bereiche wie künstliche biologische Maschinen oder isolierte Einzelmoleküle in der medizinischen Diagnostik. Diese lassen sich zum Beispiel durch simples Schütteln mit optischen Pinzetten erforschen. Dass sie dabei aus dem Gleichgewicht gebracht werden, spielt dank der nunmehr nachgewiesenen Gültigkeit der Fluktuationstheoreme keine Rolle mehr, so die Forscher.

Aber auch die Entwicklung und Untersuchung quantenmechanischer Systeme zur Informationsverarbeitung – Stichwort Quantencomputer – kann von der Augsburger Entdeckung profitieren.

(idw – Universität Augsburg, 04.06.2009 – DLO)