Elektronens hurtige dans

Metalkomplekser viser en fascinerende adfærd i deres interaktioner med lys, som f.eks. bruges i organiske lysemitterende dioder, solceller, kvantecomputere, eller endda i kræftbehandling. I mange af disse applikationer, elektron spin, en slags iboende rotation af elektronerne, spiller en vigtig rolle. For nylig, det lykkedes kemikerne Sebastian Mai og Leticia González fra det kemiske fakultet ved universitetet i Wien at simulere de ekstremt hurtige centrifugeringsprocesser, der udløses af lysabsorptionen af ​​metalkomplekser. Undersøgelsen er offentliggjort i tidsskriftet Kemisk videnskab .

Når et molekyle rammes af lys, i mange tilfælde indledes en såkaldt "fotoinduceret" reaktion. Dette kan opfattes som samspillet mellem elektronbevægelse og atombevægelse. Først, optagelse af lys energisk "ophidser" elektronerne, som f.eks. kan svække nogle af obligationerne. Efterfølgende, de meget tungere kerner begynder at bevæge sig. Hvis kernerne på et senere tidspunkt antager en gunstig konstellation i forhold til hinanden, elektronerne kan skifte fra en bane til en anden. Styret af den fysiske effekt af "spin-orbit-kobling" kan elektron-spin vende i samme øjeblik.

Dette samspil af bevægelse er grunden til, at spin-flip-processer i molekyler typisk tager ret lang tid. Imidlertid, computersimuleringer har vist, at dette ikke er tilfældet i nogle metalkomplekser. For eksempel, i det undersøgte rheniumkompleks finder spin-flip-processen allerede sted inden for ti femtosekunder, selvom kernerne på denne korte tid stort set er stationære - selv lys bevæger sig kun tre tusindedele af en millimeter inden for denne tid. Denne viden er især nyttig til præcis styring af elektronspins, som, f.eks., i kvantecomputere.

Undersøgelsen er baseret på enorm computerkraft

En af de største vanskeligheder under undersøgelsen var den enorme mængde computerkraft, der var nødvendig til simuleringerne. Selvom man for små organiske molekyler i dag kan udføre meget nøjagtige simuleringer allerede med en beskeden mængde beregningsindsats, metalkomplekser udgør en meget større udfordring.

Blandt andre årsager, dette skyldes det store antal atomer, elektroner, og opløsningsmiddelmolekyler, der skal inkluderes i simuleringerne, men også fordi elektron -spin kun kan beskrives nøjagtigt med ligninger fra relativitetsteorien. Alt i alt, forskerne fra Institute of Theoretical Chemistry brugte næsten en million computertimer på den østrigske supercomputer "Vienna Scientific Cluster" i løbet af deres undersøgelse. Dette svarer til cirka 100 års computertid på en typisk personlig computer.