Chemikerinnen und Chemiker versuchen seit Jahrzehnten zu verstehen, wie sich Elektronen in Molekülen bewegen. Normalerweise folgen sie bekannten Mustern: Sie bilden Bindungen, verteilen sich entlang von Orbitalen und bestimmen so Stabilität und Reaktivität eines Stoffes. Doch ein internationales Forschungsteam hat nun ein Molekül geschaffen, das aus diesem Rahmen fällt. Seine Elektronen bewegen sich nicht entlang gewöhnlicher Bahnen, sondern in einer verdrehten Struktur, die an ein Möbiusband erinnert.
Die Studie erschien in der Fachzeitschrift Science. Beteiligt waren Forschende von IBM Research, der University of Manchester, der University of Oxford, der ETH Zürich, der EPFL sowie der Universität Regensburg.
Inhaltsverzeichnis
Elektronen laufen in einer verdrehten Bahn
Im Zentrum der Arbeit steht ein relativ kleines Molekül mit der Formel C13Cl2. Entscheidend ist jedoch nicht seine Größe, sondern die Struktur seiner Elektronenverteilung.
Normalerweise schließen sich Elektronenbahnen nach einer vollständigen Umdrehung wieder an ihre Ausgangsphase an. In diesem Fall passiert etwas anderes: Die elektronische Struktur dreht sich bei jeder Runde um 90 Grad. Erst nach vier vollständigen Umläufen erreicht sie wieder ihren ursprünglichen Zustand.
Damit entsteht eine sogenannte Halb-Möbius-Topologie. In der Mathematik beschreibt ein Möbiusband eine Oberfläche mit nur einer Seite und einer einzigen Kante. Überträgt man dieses Konzept auf Moleküle, entstehen ungewöhnliche elektronische Eigenschaften. Genau eine solche Struktur konnten die Forschenden nun erstmals experimentell nachweisen.
Nach Angaben des Teams war ein Molekül mit dieser Topologie bislang weder synthetisiert noch experimentell beobachtet worden.
Molekül wird Atom für Atom aufgebaut
Die Herstellung des Moleküls erfolgte unter extrem kontrollierten Bedingungen. Als Ausgangspunkt diente ein Vorläufermolekül, das an der University of Oxford synthetisiert wurde.
Bei IBM Research entfernten die Forschenden anschließend einzelne Atome mithilfe präziser Spannungspulse. Der Prozess lief unter Ultrahochvakuum und bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt ab. So konnten sie das Molekül Atom für Atom zusammensetzen.
Zur Analyse kamen zwei etablierte Nanotechnologien zum Einsatz:
- Rastertunnelmikroskopie (STM)
- Rasterkraftmikroskopie (AFM)
Beide Verfahren erlauben es, Moleküle direkt auf atomarer Ebene zu untersuchen. Sie liefern Bilder einzelner Atome und zeigen gleichzeitig, wie sich Elektronen in den Bindungen verteilen.
Quantencomputer entschlüsselt das Verhalten der Elektronen
Die eigentliche Herausforderung lag jedoch nicht in der Synthese des Moleküls, sondern in der Erklärung seiner Eigenschaften. Elektronen in Molekülen beeinflussen sich gegenseitig stark. Jede Wechselwirkung verändert das gesamte System.
Solche Probleme wachsen rechnerisch extrem schnell. Klassische Computer stoßen deshalb rasch an Grenzen.
Dr. Igor Rončević von der University of Manchester erklärt das so: „Die Simulation von Elektronen mit klassischen Computern ist sehr schwierig – vor einem Jahrzehnt konnten wir genau 16 Elektronen modellieren, heute sind es bis zu 18. Quantencomputer eignen sich von Natur aus gut für dieses Problem, da ihre Bausteine – Qubits – Quantenobjekte sind, die Elektronen spiegeln.“
Mit einem IBM-Quantencomputer konnte das Team ein deutlich größeres System untersuchen. Die Simulation umfasste 32 Elektronen gleichzeitig. Dadurch ließen sich die ungewöhnlichen Bindungsstrukturen im Molekül nachvollziehen.
Die Berechnungen zeigten sogenannte helikale Molekülorbitale – spiralförmige Elektronenbahnen. Sie gelten als charakteristisches Merkmal der beobachteten Halb-Möbius-Topologie.
Elektronische Topologie als neuer Freiheitsgrad
Die Ergebnisse haben Folgen für mehrere Forschungsbereiche. In der Chemie eröffnet sich ein neuer Ansatz zur Gestaltung von Molekülen.
Dr. Igor Rončević beschreibt die Entwicklung so: „Die Chemie und die Festkörperphysik machen Fortschritte, indem sie neue Wege finden, Materie zu kontrollieren. In der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts waren Substituenteneffekte sehr beliebt. Beispielsweise untersuchten Forscher, wie sich die Wirksamkeit eines Medikaments oder die Elastizität eines Materials verändert, wenn beispielsweise ein Methyl durch Chlor ersetzt wird. Die Jahrhundertwende brachte uns die Spintronik, die den Elektronenspin als neuen Freiheitsgrad einführte und die Datenspeicherung revolutionierte. Heute zeigt unsere Arbeit, dass auch die Topologie als schaltbarer Freiheitsgrad dienen kann.“
Mit anderen Worten: Die Form der Elektronenbewegung könnte künftig gezielt verändert werden, ähnlich wie heute chemische Gruppen oder Spins. Interessant ist außerdem, dass die elektronische Struktur des Moleküls umschaltbar ist. Sie kann zwischen rechtsdrehenden, linksdrehenden und unverdrillten Zuständen wechseln. Das deutet darauf hin, dass sich elektronische Topologien aktiv steuern lassen.
Quantensimulation wird zur praktischen Methode
Neben der chemischen Erkenntnis liefert die Studie auch ein Beispiel für die praktische Nutzung von Quantencomputern.
Alessandro Curioni von IBM Research beschreibt den Ansatz so: „Zuerst haben wir ein Molekül entworfen, von dem wir dachten, dass es hergestellt werden könnte, dann haben wir es gebaut und schließlich haben wir es und seine exotischen Eigenschaften mit einem Quantencomputer validiert.“
Damit erfüllt sich ein Konzept, das der Physiker Richard Feynman bereits in den 1980er-Jahren formulierte: Computer, die quantenmechanische Systeme direkt simulieren können.
In diesem Projekt arbeiteten klassische Rechner und Quantenprozessoren zusammen. CPUs, GPUs und Quantenchips lösten jeweils den Teil des Problems, für den sie am besten geeignet sind. Forschende sprechen hier von quantenzentriertem Supercomputing.
Lange Tradition atomarer Manipulation
Die Arbeit knüpft an eine lange Forschungstradition an. IBM spielte bereits in den 1980er-Jahren eine zentrale Rolle in der Nanotechnologie. 1981 entwickelten Gerd Binnig und Heinrich Rohrer das Rastertunnelmikroskop. Dafür erhielten sie 1986 den Nobelpreis für Physik. Das Instrument machte es erstmals möglich, einzelne Atome sichtbar zu machen.
1989 gelang es IBM-Forschenden schließlich, Atome gezielt zu verschieben und so Strukturen im Nanometermaßstab aufzubauen. Das berühmte Beispiel war das IBM-Logo aus 35 Xenon-Atomen. Die aktuelle Arbeit führt diese Entwicklung fort. Sie zeigt, dass sich heute nicht nur Atome anordnen lassen, sondern auch komplexe elektronische Strukturen gezielt erzeugt werden können.
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