Quantenphysik multimedial: Spin

Video

Dieses Video zeigt den Spin in der Quantendimension und auf der sogenannten Bloch-Kugel.

  • Physik / Astronomie
  • Sekundarstufe II
  • Video

Beschreibung

Im Bild von Kerze und Spiegel als Metapher für Zustände und Operatoren gibt es neben dem Abstand zwischen den Zuständen noch eine weitere Möglichkeit, das Bild zu manipulieren: Die Position der Spiegelebene. Der Spiegel muss Zustände wieder auf andere Zustände abbilden, und der Abstand zwischen den Zuständen muss immer gleich groß sein. Dafür gibt es genau zwei mögliche Lösungen. Eine kennen wir schon: Ist ein Zustand sein eigenes Spiegelbild, gibt es immer eine ungerade Anzahl von Zuständen. Befindet sich der Spiegel genau in der Mitte zwischen zwei Zuständen, ergibt sich eine gerade Anzahl von Zuständen, und kein Zustand ist sein eigenes Spiegelbild. Im einfachsten Fall gibt es also zwei Zustände.

Der Übergang zur Quantenphysik erfolgt wiederum durch Skalieren des Abstandes zwischen den Zuständen zu h quer. Diese beiden Zustände haben eine wichtige Interpretation: Sie können beispielsweise den Spin des Elektrons beschreiben: Spin up und Spin down, mit Plus einhalb und Minus einhalb in Einheiten von h quer.

Welchen Schwingungsmoden entsprechen diese beiden Zustände? Mathematisch lässt sich zeigen, dass es sich hierbei im einfachsten Fall um Schwingungen auf einer dreidimensionalen Kugeloberfläche in vier Dimensionen handelt. Geometrisch ist diese Kugeloberfläche ein komplexes Objekt. In der Quantenphysik ist ein solcher Zustand in vier Dimensionen möglich, weil er nicht direkt beobachtbar ist und nur indirekte Auswirkungen hat. 

Der Spin ist das erste und zugleich wichtigste Beispiel für einen Zustand, der nicht im realen Raum existieren kann und darum ein rein quantenmechanisches Phänomen ist. Was wir davon mitbekommen, ist sozusagen eine Projektion in die realen drei Dimensionen. Die z-Achse bezeichnen wir jetzt wie üblich von unten nach oben. Im Bezug auf diese zeigt der Zustand up nach oben, und der Zustand down nach unten. Die dreidimensionale Kugeloberfläche kann nun auf eine gewöhnliche, zweidimensionale Kugeloberfläche projiziert werden. Dort entsprechen dem Nord- und Südpol die Zustände Spin up und Spin down. Neben diesen beiden Basiszuständen der Spins gibt es auch noch Überlagerungsmöglichkeiten, also Superpositionszustände dieser Schwingungen, zum Beispiel Spin up plus Spin down, oder Spin up minus Spin down. Geometrisch entspricht das einem Spin, der in die plus y oder minus y-Richtung zeigt. Analog lässt sich der Spin in plus x oder minus x-Richtung konstruieren. Der Spin im dreidimensionalen Raum kann also in jede beliebige Richtung zeigen. Jeder Punkt auf der Kugel entspricht dem Spinzustand, der in diese Raumrichtung weist. Alle möglichen Spinausrichtungen dieses sogenannten Qubits ergeben eine zweidimensionale Kugeloberfläche, die sogenannte Bloch-Kugel.

Projekt "Quantenspiegelungen"

Das hier vorgestellte Video ist Teil des Projektes "U2: Quantenspiegelungen" vom Institut für Didaktik der Physik der Universität Münster. Mathematisch fundierte Visualisierungen eröffnen Schritt für Schritt einen Zugang zu moderner Atomphysik – vom Wasserstoffatom bis zum Periodensystem der Elemente.

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Institut für Didaktik der Physik - WWU Münster

Dieser Beitrag wird in Kooperation mit dem Institut für Didaktik der Physik der Universität Münster angeboten.

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