Tanzende Elektronenspins

Metallverbindungen zeigen ein faszinierendes Verhalten in ihrer Wechsel­wirkung mit Licht, was zum Beispiel in Leucht­dioden, Solar­zellen, Quanten­computern und sogar in der Krebs­therapie angewendet wird. In vielen Fällen spielt dabei der Elektronen­spin eine besondere Rolle. Sebastian Mai und Leticia González von der Uni Wien ist es jetzt gelungen, 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 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, bis sie in einer passenden Konstel­lation zuein­ander stehen und die Elektronen von einer Bahn auf eine andere wechseln können. Dabei kann durch die Spin-Bahn-Kopplung auch der Elektronen­spin mit umklappen.

Insgesamt dauern solche 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. 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 unter anderem an der großen Anzahl von Atomen, Elektronen und Lösungs­mittel­molekülen, die berück­sichtigen werden müssen. Ein weiterer Grund ist, dass der Elektronen­spin nur mittels Gleichungen aus der Relativitäts­theorie korrekt simuliert werden kann. Insgesamt haben die Wissen­schaftler für die Studie am öster­reichischen Super­computer „Vienna Scientific Cluster“ fast eine Million Rechen­stunden aufwenden müssen.

U. Wien / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  S. Mai & L. González: Unconventional two-step spin relaxation dynamics of [Re(CO)3(im)(phen)]+ in aqueous solution, Chem. Sci., online 27. September 2019; DOI: 10.1039/C9SC03671G
• Quantum Chemistry and Chemical Dynamics Group, Institut für theoretische Chemie, Fklt. für Chemie, Universität Wien, Österreich