Wie schnell Elektronenspins tanzen: ChemikerInnen untersuchen Wechselwirkung von Metallverbindungen und Licht

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.

Publikation in Chemical Science:
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

Leticia González
Institut für Theoretische Chemie
Universität Wien
1090 – Währinger Straße 17
+43-1-4277-52750
leticia.gonzalez@univie.ac.at

Publikation in Chemical Science:
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

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