Forschung & Entwicklung

Wechselwirkung von Metallverbindungen und Licht

In vielen Fällen spielt bei der Wechselwirkung von Metallverbindungen mit Licht der Elektronenspin eine besondere Rolle. Nun 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. Durch die Absorption des Lichts 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.

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 Wissenschaftler 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.

von mn

Originalveröffentlichung:

[S. Mai, L. González, Unconventional two-step spin relaxation dynamics of [Re(CO)3(im)(phen)]+ in aqueous solution, Chem. Sci. (2019), DOI: 10.1039/C9SC03671G]

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