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Gewundene elektronische Zustände in einem Molekül experimentell realisiert und auf Quantenhardware modelliert
Forschende von IBM Research, der University of Manchester, der Oxford University, der ETH Zürich, der EPFL Lausanne und der Universität Regensburg (Exzellenzcluster CCE) arbeiteten zusammen, um eine neuartige molekulare Topologie zu realisieren: die sogenannte Halb-Möbius-Topologie. Mittels Atommanipulation mit einem Rastersondenmikroskop erzeugten die Forschenden ein exotisches Molekül, C13Cl2, mit einer helikalen elektronischen Struktur, die qualitativ anders ist als bei allen zuvor bekannten Molekülen.
Das Molekül mit der Formel C13Cl2 bildet einen molekularen Ring und nimmt eine chirale Geometrie an, das heißt, eine Geometrie mit einer „Händigkeit“. Seine Elektronen können sich über den gesamten Ring erstrecken – etwas, das in organischen Molekülen recht häufig vorkommt. Entscheidend ist hier, wie die Elektronenverteilung in sich gewunden ist, während sie den Ring umrundet. In Möbius-Molekülen kann die Elektronenverteilung bei einer Umrundung eine halbe Windung vollführen, ähnlich dem Möbiusband, das um 180° gewunden wird, bevor die Enden verbunden werden. Bei C13Cl2 ist es noch komplexer: Die Elektronenverteilung vollführt erst nach zwei vollständigen Umläufen eine halbe Windung – dies wird als Halb-Möbius-Topologie bezeichnet, wobei „Topologie“ auf die mathematische Theorie verweist, die beschreibt, wie Objekte im Raum miteinander verbunden sind.
Die oben beschriebene Verdrehung geht einher mit der Händigkeit des Moleküls; die Moleküle konnten gezielt in ihre Spiegelbilder umgeschaltet werden. Eine solche Umschaltung kehrt auch die Chiralität der Elektronenverteilung um – ein zentrales Thema des neuen Exzellenzclusters Center for Chiral Electronics.
Für diese Entdeckung waren Multireferenz-Berechnungen auf IBM-Quantenhardware von entscheidender Bedeutung. Diese Berechnungen halfen, den Mechanismus zu identifizieren, der die unerwartete Topologie stabilisiert, und sagten helikale molekulare Dyson-Orbitale voraus – ein Fingerabdruck der Halb-Möbius-Topologie.
Diese Arbeit zeigt Möglichkeiten auf, elektronische Systeme mit neuen Topologien zu erzeugen –kombiniert mit Fortschritten im Quantencomputing, die eine präzise theoretische Beschreibung ermöglichen. Dies eröffnet die Tür zur Entdeckung neuer Phänomene, die in der molekularen Topologie verwurzelt sind. Diese Kombination aus Experiment und Theorie vertieft unser Verständnis der Quantenphysik – der grundlegenden Gesetze, die unsere Welt bestimmen.
Prof. Dr. Jascha Repp
Fakultät für Physik
Universität Regensburg
Tel.: +49 (0)941 943-4201
E-Mail: Jascha.Repp@physik.uni-regensburg.de
https://doi.org/10.1126/science.aea3321
https://www.chiralelectronics.de/ Exzellenzcluster CCE
Dyson-Orbital für Elektronenanlagerung, berechnet mit Quantenhardware.
Copyright: IBM Research und Universität Manchester
Merkmale dieser Pressemitteilung:
Journalisten, Studierende, Wissenschaftler
Physik / Astronomie
überregional
Forschungsergebnisse, Wissenschaftliche Publikationen
Deutsch
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