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Wie schnell Elektronenspins tanzen

Chemiker untersuchen Wechselwirkung von Metallverbindungen und Licht

© Sebastian Mai

Extrem schnelle Spin-Umklapp-Prozesse, die durch Lichtabsorption von Metallverbindungen ausgelöst werden, können mit dem Computer simuliert werden.

07.10.2019: Metallverbindungen zeigen ein faszinierendes Verhalten in ihrer Wechselwirkung mit Licht, was zum Beispiel in Leuchtdioden, Solarzellen, Quantencomputern und sogar in der Krebstherapie angewendet wird. In vielen Fällen spielt dabei der Elektronenspin, eine Art Eigendrehung der Elektronen, eine besondere Rolle. Den Chemiker Sebastian Mai und Leticia González von der Fakultät für Chemie der Universität Wien ist es gelungen, jene extrem schnellen Spin-Umklapp-Prozesse am Computer zu simulieren, die durch Lichtabsorption von Metallverbindungen ausgelöst werden.

Wenn Licht auf Moleküle fällt, wird in vielen Fällen eine sogenannte "photoinduzierte" Reaktion ausgelöst. Das kann man sich als ein Wechselspiel von Elektronenbewegung und Kernbewegung vorstellen. Durch die Absorption des Lichtes werden zuerst die Elektronen energetisch "angeregt", wodurch beispielsweise Bindungen geschwächt werden. Daraufhin setzen sich die viel schwereren Atomkerne in Bewegung. Wenn die Kerne zu einem späteren Zeitpunkt in einer passenden Konstellation zueinander stehen, können die Elektronen von einer Bahn auf eine andere wechseln. Dabei kann durch den physikalischen Effekt der "Spin-Bahn-Kopplung" auch der Elektronenspin mit "umklappen". 

Durch dieses Bewegungswechselspiel dauern Spin-Umklapp-Prozesse in Molekülen normalerweise relativ lange. Computersimulationen haben aber gezeigt, dass das bei manchen Metallverbindungen nicht der Fall ist. Beispielsweise läuft in dem untersuchten Rhenium-Komplex der Spin-Umklapp-Prozess schon in zehn Femtosekunden ab, obwohl sich in so kurzer Zeit die Atomkerne praktisch nicht bewegen – selbst Licht legt in dieser Zeitspanne gerade einmal drei Tausendstel Millimeter zurück. Dieses Wissen ist vor allem bei der genauen Kontrolle des Elektronenspins – wie beispielsweise bei Quantencomputern – sehr nützlich. 

Untersuchung basiert auf enormer Rechenleistung mit Supercomputer

Eine der größten Herausforderungen der Untersuchung war der große Rechenaufwand, der für die Computersimulationen nötig war. Während heutzutage für kleine organische Moleküle mit mäßigem Aufwand schon sehr akkurate Simulationen durchgeführt werden können, stellen Metallverbindungen eine viel größere Herausforderung dar. Das liegt beispielsweise an der großen Anzahl von Atomen, Elektronen und Lösungsmittelmolekülen, die berücksichtigen werden müssen; aber auch daran, dass der Elektronenspin nur mittels Gleichungen aus der Relativitätstheorie korrekt simuliert werden kann. Insgesamt haben die WissenschafterInnen vom Institut für Theoretische Chemie für die Studie am österreichischen Supercomputer "Vienna Scientific Cluster" fast eine Million Rechenstunden aufwenden müssen, was ungefähr einer Rechendauer von etwa 100 Jahren auf einem handelsüblichen Computer entsprechen würde.

Originalveröffentlichung:
Mai, Sebastian; González, Leticia; "Unconventional two-step spin relaxation dynamics of [Re(CO)3(im)(phen)]+ in aqueous solution"; Chemical Science; 2019.

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