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Elektronenspins im Modell

Simulierter Elektronentanz

| Autor/ Redakteur: Alina Birkel* / Christian Lüttmann

Je kürzer der Prozess, desto leichter lässt er sich am PC berechnen – so könnte man meinen. Tatsächlich ist die Modellierung von ultrakurzen Phänomenen wie dem „Umklappen“ von Elektronenspins sehr aufwändig, wie die aktuelle Forschung eines Teams der Universität Wien zeigt.

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Sebastian Mai und Leticia González haben die Studie durchgeführt.
Sebastian Mai und Leticia González haben die Studie durchgeführt.
(Bild: Boris Maryasin)

Wien/Österreich – Wenn Licht auf Moleküle fällt, löst dies in vielen Fällen eine „photoinduzierte“ Reaktion aus. Das kann man sich als ein Wechselspiel von Elektronenbewegung und Kernbewegung vorstellen. Durch die Absorption des Lichtes werden zuerst die Elektronen energetisch angeregt, was beispielsweise chemische Bindungen schwächt. 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“, der eine zentrale quantenmechanische Eigenschaft darstellt und stets genau einen von zwei möglichen Beiträgen annehmen kann.

Extrem schnelle Spin-Umklapp-Prozesse, die durch Lichtabsorption von Metallverbindungen ausgelöst werden, können mit dem Computer simuliert werden.
Extrem schnelle Spin-Umklapp-Prozesse, die durch Lichtabsorption von Metallverbindungen ausgelöst werden, können mit dem Computer simuliert werden.
(Bild: Sebastian Mai)

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 bestimmten Rhenium-Komplexen 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.

Solche extrem schnellen Prozesse haben die Chemiker Sebastian Mai und Leticia González von der Universität Wien in Rhenium-Komplexen untersucht. Das Wissen darüber ist vor allem bei der genauen Kontrolle des Elektronenspins –beispielsweise für die Realisierung von Quantencomputern – sehr nützlich.

Umgerechnet 100 Jahre Rechenzeit

In ihrer Untersuchung haben die Forscher jene extrem schnellen Spin-Umklapp-Prozesse am Computer simuliert. Eine der größten Herausforderungen war dabei der große Rechenaufwand, der für die Simulationen nötig war. Während heutzutage für kleine organische Moleküle mit mäßigem Aufwand schon sehr akkurate Simulationen durchgeführt werden können, ist dies für Metallverbindungen deutlich schwieriger. 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 Wissenschaftler vom Institut für Theoretische Chemie für die Studie am österreichischen Supercomputer „Vienna Scientific Cluster“ fast eine Million Rechenstunden aufwenden müssen, um den Tanz der Elektronenspins zu simulieren. Das entspricht ungefähr einer Rechendauer von etwa 100 Jahren auf einem handelsüblichen Computer. Die Arbeit der Wiener Chemiker zeigt damit, welches Potenzial die moderne Computertechnik für komplexe Modellrechnungen in Systemen mit starken relativistischen Effekten hat.

Originalpublikation: Mai, Sebastian; González, Leticia: Unconventional two-step spin relaxation dynamics of [Re(CO)3(im)(phen)]+ in aqueous solution, Chemical Science 2019; DOI: 10.1039/C9SC03671G

* A. Birkel, Universität Wien, 1010 Wien/Österreich

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