博科園：本文為量子物理學類
金屬配合物在與光相互作用中表現出令人著迷的行為，例如用於有機發光二極體、太陽能電池、量子計算機，甚至用於癌症治療。在許多這樣的應用中，電子自旋，一種電子的固有旋轉，起著重要的作用。現在維也納大學化學學院的化學家塞巴斯蒂安·馬伊和萊蒂西亞·岡薩雷斯，成功地模擬了由金屬配合物的光吸收引發的極快自旋翻轉過程，其研究發現發表在《化學科學》期刊上。當一個分子被光擊中時，在許多情況下會引發所謂的「光誘導」反應。
這可以被認為是電子運動和核運動的相互作用。首先，光的吸收充滿能量地「激發」電子，例如可以削弱一些鍵。隨後，重得多的原子核開始移動。電子可以從一個軌道切換到另一個軌道。在「自旋-軌道耦合」的物理效應的控制下，電子自旋可以在同一時刻翻轉。
這種運動的相互作用就是為什麼分子中的自旋翻轉過程，通常需要相當長的時間。然而，計算機模擬表明，在某些金屬配合物中並非如此，例如，在被檢查的錸復合物中，自旋翻轉過程已經在10飛秒內發生。
即使在這段短時間內原子核實際上是靜止的，即使光在這段時間內移動也只有千分之三毫米。這對於精確控制電子自旋特別有用，例如在量子計算機中。研究過程中最大的困難之一是模擬需大量計算機能力，雖然對於有機小分子來說：現在已經可以用適當的計算量進行非常精確的模擬，但金屬配合物提出了更大的挑戰。除其他原因外，這是由於大量的原子、電子和溶劑分子需要包括在模擬中，但也因為電子自旋只能用相對論的方程來精確描述。
理論化學研究所的科學家們在研究過程中總共在奧地利超級計算機「維也納科學集群」上花費了近一百萬個計算機小時，這相當於一台典型個人計算機上大約100年的計算機時間。分子自旋的變化在化學和生物學中普遍存在，在自旋翻轉過程中，最快的過程之一是過渡金屬配合物中的系統間交叉(ISC)。在研究中，使用了顯式水溶液中廣泛的全維激發態動力學模擬研究了[Re(CO)3(Im)(Phen)]+(im=咪唑，phen=鄰菲咯啉)的自旋弛豫動力學和發射光譜。
與在其他過渡金屬配合物中觀察到的相反，從單重態到三重態的轉變通過兩步過程發生，具有兩個不同時間尺度的明顯可分離電子和核驅動組件。這個ISC過程比以前從發射光譜中記錄的這個和其他錸(I)羰基二亞胺配合物快一個數量級。包括顯式雷射場相互作用在內的模擬證明，需要幾個周期的紫外雷射脈衝來跟蹤這種分子自旋軌道波包的產生和演化。動力學分析還揭示了延遲ISC組分，這可以用分子內振動能量重新分布來解釋。這些結果為過渡金屬配合物的超快體系間交叉提供了基礎認識。
博科園｜研究/來自：維也納大學
參考期刊《化學科學》
DOI: 10.1039/C9SC03671G
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