Linksherum oder rechtsherum?

Feynman-Diagramme sind ein leistungs­starkes Werkzeug in der Physik der kondensierten Materie. Die Methode, die hoch­komplexe Gleichungen in einfache Diagramme umwandelt, hat sich als eines der wirkungs­vollsten Werkzeuge in der theoretischen Physik etabliert. Giacomo Bighin, ein Postdoc in der Forschungs­gruppe von Mikhail Lemeshko am Institute of Science and Technology Austria (IST Austria), hat die Technik nun erweitert: War sie ursprünglich für sub­atomare Teilchen, also sehr einfache Teilchen, konzipiert, so kann sie nun auch auf weitaus komplexere Objekte, nämlich Moleküle, angewendet werden.

Die neue Arbeit soll die Beschreibung von Molekül­rotationen in Lösungen drastisch vereinfachen. Dies bringt die Wissen­schaftler ihrem lang­fristigen Ziel, chemische Reaktionen in Lösungs­mitteln auf mikro­skopischer Ebene zu verstehen und möglicher­weise zu steuern, einen Schritt näher. „Moleküle sind ständig in Drehung, und wie sie miteinander wechsel­wirken, hängt von ihrer relativen Orientierung ab. Treffen sie ein anderes Molekül mit dem einem Ende, so hat das einen anderen Effekt, als wenn sie es mit dem anderen Ende treffen“, erklärt Mikhail Lemeshko.

In Experimenten mit molekularen Gasen ist es bereits gelungen, die Orientierung von Molekülen und damit ihre chemischen Reaktionen zu kontrollieren, dasselbe auch in Lösungs­mitteln zu tun, ist aber schwierig. Dies ist das lang­fristige Ziel, auf das Mikhail Lemeshko und seine Gruppe Schritt für Schritt hin­arbeiten. Der Schritt, den sie gerade erfolg­reich getan haben, besteht darin, die Rotation eines Moleküls in einer Lösung besser beschreiben zu können. Dies stellt eine Voraus­setzung für die Kontrolle der Reaktionen in dieser Umgebung dar.

Die Übertragung der Methode war alles andere als einfach. „Feynman-Diagramme funktionieren für struktur­lose Teilchen wie zum Beispiel Elektronen. Struktur­los bedeutet, dass sie von Rotationen nicht verändert werden: Dreht man ein Elektron, sieht es genauso aus wie zuvor. Moleküle dagegen sind komplexer und können sich drehen und ihre Orientierung im Raum verändern“, erklärt Giacomo Bighin. Um die Methode von Elektronen auf Moleküle zu über­tragen, musste er einen neuen Formalismus entwickeln.

Zuvor war nicht bekannt, ob die Methode für Moleküle überhaupt funktionieren würde, und ihre Anpassung dauerte mehr als ein Jahr. Nun ist der Formalismus für den Einsatz in chemischen Problemen bereit. „Wir erwarten, dass Leute mit einem molekularen Hinter­grund sehen werden, dass es jetzt möglich geworden ist, Moleküle auf diese Weise zu unter­suchen. Die Methode liefert extrem präzise Ergebnisse in der Physik der kondensierten Materie und hat das Potential, die gleiche Genauig­keit auch in molekularen Simulationen zu erreichen “, fügt Lemeshko hinzu.

IST Austria / DE

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  G. Bighin et al.: Diagrammatic Monte Carlo Approach to Angular Momentum in Quantum Many-Particle Systems, Phys. Rev. Lett. 121, 165301 (2018); DOI: 10.1103/PhysRevLett.121.165301
• Theoretische atomare, molekulare und optische Physik (M. Lemeshko), Institute of Science and Technology Austria, Klosterneuburg