Metaalcomplexen vertonen een fascinerend gedrag in hun interacties met licht, die bijvoorbeeld wordt gebruikt in organische lichtemitterende diodes, zonnepanelen, kwantumcomputers, of zelfs bij kankertherapie. In veel van deze toepassingen de elektronenspin, een soort inherente rotatie van de elektronen, speelt een belangrijke rol. Onlangs, de chemici Sebastian Mai en Leticia González van de faculteit Scheikunde van de Universiteit van Wenen zijn erin geslaagd de extreem snelle spin-flip-processen te simuleren die worden veroorzaakt door de lichtabsorptie van metaalcomplexen. De studie is gepubliceerd in het tijdschrift Chemische Wetenschappen .

Wanneer een molecuul wordt geraakt door licht, in veel gevallen wordt een zogenaamde "foto-geïnduceerde" reactie geïnitieerd. Dit kan worden gezien als het samenspel van elektronenbeweging en nucleaire beweging. Eerst, de absorptie van licht energetisch "exciteert" de elektronen, die bijvoorbeeld sommige van de banden kan verzwakken. Vervolgens, de veel zwaardere kernen beginnen te bewegen. Als de kernen op een later tijdstip een gunstige constellatie ten opzichte van elkaar aannemen, de elektronen kunnen van de ene baan naar de andere overschakelen. Gecontroleerd door het fysieke effect van "spin-orbit-koppeling" kan de elektronspin op hetzelfde moment omslaan.

Dit samenspel van beweging is de reden waarom spin-flip-processen in moleculen doorgaans vrij lang duren. Echter, computersimulaties hebben aangetoond dat dit bij sommige metaalcomplexen niet het geval is. Bijvoorbeeld, in het onderzochte rheniumcomplex vindt het spin-flip proces al plaats binnen tien femtoseconden, ook al zijn de kernen in deze korte tijd vrijwel stationair - zelfs licht verplaatst zich binnen deze tijd slechts drieduizendste van een millimeter. Deze kennis is vooral nuttig voor de nauwkeurige controle van elektronenspins, als, bijv. in kwantumcomputers.

Onderzoek is gebaseerd op enorme computerkracht

Een van de grootste moeilijkheden tijdens het onderzoek was de enorme hoeveelheid computerkracht die nodig was voor de simulaties. Hoewel men tegenwoordig voor kleine organische moleculen al zeer nauwkeurige simulaties kan uitvoeren met een bescheiden hoeveelheid rekeninspanning, metaalcomplexen vormen een veel grotere uitdaging.

Onder andere redenen, dit komt door het grote aantal atomen, elektronen, en oplosmiddelmoleculen die in de simulaties moeten worden opgenomen, maar ook omdat de elektronenspin alleen nauwkeurig kan worden beschreven met vergelijkingen uit de relativiteitstheorie. Allemaal samen, de wetenschappers van het Instituut voor Theoretische Chemie brachten tijdens hun studie bijna een miljoen computeruren door op de Oostenrijkse supercomputer "Vienna Scientific Cluster". Dit komt overeen met ongeveer 100 jaar computertijd op een typische personal computer.