Ein Molekül mit Halb-Möbius-Topologie

Forschende von IBM Research, der University of Manchester, der Oxford University, der ETH Zürich, der EPFL Lausanne und des Exzellenzclusters CCE der Universität Regensburg arbeiteten zusammen, um eine neuartige molekulare Topologie zu realisieren: die Halb-Möbius-Topologie. Mittels Atommanipulation mit einem Rastersondenmikroskop erzeugten die Forschenden ein exotisches Molekül, C₁₃Cl₂, mit einer helikalen elektronischen Struktur, die qualitativ anders ist als bei allen zuvor bekannten Molekülen.

Dyson-Orbital für Elek­tro­nen­an­la­ge­rung, be­rech­net mit Quan­ten­hard­ware.

Quelle: IBM Research / U Manchester

Das Molekül mit der Formel C₁₃Cl₂ bildet einen molekularen Ring und nimmt eine chirale Geometrie an, das heißt, eine Geometrie mit einer „Händigkeit“. Seine Elektronen können sich über den gesamten Ring erstrecken – etwas, das in organischen Molekülen recht häufig vorkommt. Entscheidend ist hier, wie die Elektronenverteilung in sich gewunden ist, während sie den Ring umrundet. In Möbius-Molekülen kann die Elektronenverteilung bei einer Umrundung eine halbe Windung vollführen, ähnlich dem Möbiusband, das um 180° gewunden wird, bevor die Enden verbunden werden. Bei C₁₃Cl₂ ist es noch komplexer: Die Elektronenverteilung vollführt erst nach zwei vollständigen Umläufen eine halbe Windung – dies wird als Halb-Möbius-Topologie bezeichnet, wobei „Topologie“ auf die mathematische Theorie verweist, die beschreibt, wie Objekte im Raum miteinander verbunden sind.

Die oben beschriebene Verdrehung geht einher mit der Händigkeit des Moleküls; die Moleküle konnten gezielt in ihre Spiegelbilder umgeschaltet werden. Eine solche Umschaltung kehrt auch die Chiralität der Elektronenverteilung um – ein zentrales Thema des neuen Exzellenzclusters Center for Chiral Electronics.

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Erhellende Topologie

Für diese Entdeckung waren Multireferenz-Berechnungen auf IBM-Quantenhardware von entscheidender Bedeutung. Diese Berechnungen halfen, den Mechanismus zu identifizieren, der die unerwartete Topologie stabilisiert, und sagten helikale molekulare Dyson-Orbitale voraus – ein Fingerabdruck der Halb-Möbius-Topologie.

Diese Arbeit zeigt Möglichkeiten auf, elektronische Systeme mit neuen Topologien zu erzeugen – kombiniert mit Fortschritten im Quantencomputing, die eine präzise theoretische Beschreibung ermöglichen. Dies eröffnet die Tür zur Entdeckung neuer Phänomene, die in der molekularen Topologie verwurzelt sind. Diese Kombination aus Experiment und Theorie vertieft unser Verständnis der Quantenphysik – der grundlegenden Gesetze, die unsere Welt bestimmen. [UR / dre]