Metallkomplex visar ett fascinerande beteende i sin interaktion med ljus, som till exempel används i organiska lysdioder, solceller, kvantdatorer, eller till och med inom cancerterapi. I många av dessa applikationer, elektronsnurran, en sorts inneboende rotation av elektronerna, spelar en viktig roll. Nyligen, kemisterna Sebastian Mai och Leticia González från kemifakulteten vid Wiens universitet lyckades simulera de extremt snabba spin flip-processerna som utlöses av ljusabsorptionen av metallkomplex. Studien publiceras i tidskriften Kemivetenskap .

När en molekyl träffas av ljus, i många fall initieras en så kallad "fotoinducerad" reaktion. Detta kan ses som samspelet mellan elektronrörelse och kärnrörelse. Först, absorptionen av ljus "exciterar" elektronerna energiskt, vilket till exempel kan försvaga vissa av obligationerna. Senare, de mycket tyngre kärnorna börjar röra sig. Om kärnorna vid en senare tidpunkt antar en gynnsam konstellation i förhållande till varandra, elektronerna kan växla från en bana till en annan. Styrt av den fysiska effekten av "spin-omloppskoppling" kan elektronsnurret vända i samma ögonblick.

Detta samspel av rörelse är anledningen till att spin-flip-processer i molekyler vanligtvis tar ganska lång tid. Dock, datorsimuleringar har visat att detta inte är fallet i vissa metallkomplex. Till exempel, i det undersökta rheniumkomplexet sker spin-flip-processen redan inom tio femtosekunder, även om kärnorna på denna korta tid är praktiskt taget stationära — även ljus rör sig bara tre tusendels millimeter inom denna tid. Denna kunskap är särskilt användbar för exakt kontroll av elektronspinn, som, t.ex., i kvantdatorer.

Utredningen bygger på enorm datorkraft

En av de största svårigheterna under undersökningen var den enorma mängd datorkraft som krävdes för simuleringarna. Även om man för små organiska molekyler nuförtiden kan utföra mycket noggranna simuleringar redan med en blygsam mängd beräkningsansträngning, metallkomplex utgör en mycket större utmaning.

Bland andra skäl, detta beror på det stora antalet atomer, elektroner, och lösningsmedelsmolekyler som måste inkluderas i simuleringarna, men också för att elektronspinnet endast kan beskrivas exakt med ekvationer från relativitetsteorin. Sammanlagt, forskarna från Institutet för teoretisk kemi tillbringade nästan en miljon datortimmar vid den österrikiska superdatorn "Vienna Scientific Cluster" under studietiden. Det motsvarar ungefär 100 års datortid på en typisk persondator.