I complessi metallici mostrano un comportamento affascinante nelle loro interazioni con la luce, che per esempio è utilizzato nei diodi organici a emissione di luce, celle solari, computer quantistici, o anche nella terapia del cancro. In molte di queste applicazioni, lo spin dell'elettrone, una sorta di rotazione intrinseca degli elettroni, gioca un ruolo importante. Recentemente, i chimici Sebastian Mai e Leticia González della Facoltà di Chimica dell'Università di Vienna sono riusciti a simulare i rapidissimi processi di spin flip innescati dall'assorbimento della luce di complessi metallici. Lo studio è pubblicato sulla rivista Scienze chimiche .

Quando una molecola viene colpita dalla luce, in molti casi si innesca una reazione cosiddetta "fotoindotta". Questo può essere pensato come l'interazione tra il movimento degli elettroni e il movimento nucleare. Primo, l'assorbimento della luce "eccita" energeticamente gli elettroni, che per esempio può indebolire alcuni dei legami. Successivamente, i nuclei molto più pesanti iniziano a muoversi. Se in un secondo momento i nuclei assumono una costellazione favorevole l'uno rispetto all'altro, gli elettroni possono passare da un'orbita all'altra. Controllato dall'effetto fisico di "accoppiamento spin-orbita", lo spin dell'elettrone può capovolgersi nello stesso momento.

Questa interazione di movimento è la ragione per cui i processi di spin-flip nelle molecole in genere richiedono molto tempo. Però, simulazioni al computer hanno mostrato che questo non è il caso in alcuni complessi metallici. Per esempio, nel complesso del renio esaminato il processo di spin-flip avviene già entro dieci femtosecondi, anche se in questo breve tempo i nuclei sono virtualmente fermi, anche la luce si muove solo di tre millesimi di millimetro in questo tempo. Questa conoscenza è particolarmente utile per il controllo preciso degli spin elettronici, come, per esempio., nei computer quantistici.

L'indagine si basa sull'enorme potenza del computer

Una delle maggiori difficoltà durante l'indagine è stata l'enorme quantità di potenza del computer richiesta per le simulazioni. Sebbene per piccole molecole organiche si possano oggigiorno effettuare simulazioni molto accurate già con un modesto sforzo computazionale, i complessi metallici rappresentano una sfida molto più grande.

Tra gli altri motivi, questo è dovuto al gran numero di atomi, elettroni, e molecole di solvente che devono essere incluse nelle simulazioni, ma anche perché lo spin dell'elettrone può essere descritto accuratamente solo con equazioni della teoria della relatività. Del tutto, gli scienziati dell'Istituto di chimica teorica hanno trascorso quasi un milione di ore al computer presso il super computer austriaco "Vienna Scientific Cluster" nel corso del loro studio. Ciò equivale a circa 100 anni di tempo di computer su un tipico personal computer.