• Skip to main content
  • Skip to secondary menu
  • Zur Hauptsidebar springen

Die Chemie Zeitschrift Österreichs

Das unabhängige Traditionsmagazin

  • Das Magazin
    • Über die Österreichische Chemie Zeitschrift
    • 120 Jahre
    • Abonnement
    • Mediadaten
    • Online-Archiv
  • Resorts
    • Forschung
    • Foto Freitag
    • Messe
    • Publikation
    • Personalia
    • Bildung
    • Termine
    • News-Archiv 2015
    • News-Archiv 2016
    • News-Archiv 2017
    • News-Archiv 2018
    • News-Archiv 2019
  • Studienführer Technische Chemie
  • Chemie-Lexikon
  • Links
    • L&B
    • labor
    • Kunststoff
  • Welkin Media Verlag
Aktuelle Seite: Startseite / News / Topologische Eigenschaften zweiatomiger Moleküle entdeckt

Topologische Eigenschaften zweiatomiger Moleküle entdeckt

15. März 2023 von Birgit Fischer

Forscher des Institute of Science and Technology Austria (ISTA) haben die topologischen Eigenschaften zweiatomiger Moleküle entdeckt. Dabei wendeten sie ähnliche mathematische Methoden an wie bei Festkörpersystemen und verbinden damit zwei verschiedene Bereiche der Physik. Ihre Erkenntnisse versprechen mögliche zukünftige Anwendungen in der Chemie.

PhD-Student Volker Karle, Postdoc Areg Ghazaryan und Professor Mikhail Lemeshko. | Fotos: Volker Karle, Areg Ghazaryan und Nadine Poncioni / ISTA
PhD-Student Volker Karle, Postdoc Areg Ghazaryan und Professor Mikhail Lemeshko. | Fotos: Volker Karle, Areg Ghazaryan und Nadine Poncioni / ISTA

Manchmal ergeben sich unvorhergesehene Verbindungen zwischen unterschiedlichen Forschungsgebieten in der Physik. Genau das ist der Fall bei den topologischen Eigenschaften von Quantenzuständen in rotierenden Molekülen. In einer neuen Studie haben PhD-Student Volker Karle, Postdoc Areg Ghazaryan und Professor Mikhail Lemeshko vom Institute of Science and Technology Austria (ISTA) nun gezeigt, dass ein einfaches rotierendes Molekül aus nur zwei Atomen Quantenzustände mit topologischen Eigenschaften aufweisen kann. Diese ähneln denen in Graphen und anderen topologischen Festkörpermaterialien.

„Das Interessante ist, dass diese beiden Systeme – ein einzelnes rotierendes Molekül und eine Graphenschicht aus Millionen von Kohlenstoffatomen – sehr unterschiedlich sind und dennoch einige ihrer Eigenschaften durch ähnliche Mathematik beschrieben werden können“, erklärt Karle. „Wir verbinden damit die physikalische Chemie und Festkörperphysik.“ Die drei Forscher haben ihre neuen Erkenntnisse in Physical Review Letters veröffentlicht.

Doughnut bleibt Doughnut

„Topologie ist die Lehre der geometrischen Eigenschaften eines Objekts, die sich durch kontinuierliche Veränderung seiner Form und Größe nicht ändern. Die Erkenntnis, dass man Quantenzustände nicht nur nach ihrer Energie und Symmetrie, sondern auch nach ihrer Topologie klassifizieren kann, hat in den letzten Jahrzehnten zu einem echten Durchbruch in unserem Verständnis der Festkörperphysik geführt“, erklärt Lemeshko.

Ein Doughnut unter verschiedenen geometrischen Transformationen. Aus mathematischer Sicht bleibt der Doughnut ein Doughnut, solange er nur ein Loch hat –  egal wie sehr er verformt wird. | Bild: ISTA
Ein Doughnut unter verschiedenen geometrischen Transformationen. Aus mathematischer Sicht bleibt der Doughnut ein Doughnut, solange er nur ein Loch hat – egal wie sehr er verformt wird. | Bild: ISTA

„Ein einfaches Beispiel für topologische Eigenschaften wäre ein Doughnut. Aus mathematischer Sicht ist ein Doughnut einfach ein Ring mit einem Loch“, fügt Karle hinzu. „Egal, wie man ihn dehnt oder zusammendrückt, er bleibt ein Doughnut, solange man das Loch nicht stopft oder eins hinzufügt. Die Doughnut Eigenschaft, ist daher topologisch vor ‘kleinen’ Störungen wie der Änderung seiner Form oder Größe geschützt.“

In Systemen wie topologischen Isolatoren entstehen diese topologischen Effekte durch Millionen von Atomen, die miteinander wechselwirken. Karle, Ghazaryan und Lemeshko haben jedoch gezeigt, dass dieses Phänomen auch in viel einfacheren Systemen wie einem einzelnen Molekül zu finden ist.

Ein Molekül mit Laserlicht anstoßen

„Das System, das wir untersuchen, ist ein einzelnes Molekül, das aus zwei aneinander gebundenen Atomen besteht“, sagt Karle. Die Forscher haben ein Modell entwickelt, das beschreibt, was in einem solchen Molekül passiert, wenn es durch kurze Laserpulse dazu gebracht wird, sich um den Mittelpunkt zwischen den beiden Atomen zu drehen. „Mit der richtigen Wellenlänge und dem richtigen Timing der Laserpulse können wir topologisch nichttriviale Quantenzustände im Molekül erzeugen, die sich ähnlich wie in Festkörpersystemen verhalten.“

Rotierendes zweiatomiges Molekül. Ein aus zwei Atomen bestehendes Molekül wird von Laserlicht (gelb) getroffen, die es um den Mittelpunkt seiner Bindung rotieren lassen. | Bild: ISTA
Rotierendes zweiatomiges Molekül. Ein aus zwei Atomen bestehendes Molekül wird von Laserlicht (gelb) getroffen, die es um den Mittelpunkt seiner Bindung rotieren lassen. | Bild: ISTA

Seit Jahrzehnten untersuchen Wissenschafter:innen die topologischen Eigenschaften vieler verschiedener Materialien und Systeme. 2016 führte dies sogar zu einem Nobelpreis. Sie in einem einfachen Molekül zu finden, ermöglicht jedoch neue Arten von Experimenten und Anwendungen. „Wir stellen uns ein Experiment vor, bei dem ein Strom solcher Moleküle aus einer Quelle herausgeschossen und dann von Laserpulsen getroffen wird“, erhofft sich Karle. „Sie fliegen dann in einen Detektor, wo wir ihre Quantenzustände viel detaillierter untersuchen können, als dies mit Festkörpersystemen möglich ist.“ Von künftigen Experimenten erhoffen sich die Forscher noch viele weitere Erkenntnisse, die vielleicht den Grundstein für neue Anwendungen in der Chemie legen könnten.

Reaktionen kontrollieren

Nichttriviale topologische Eigenschaften, wie sie in dieser neuen Veröffentlichung beschrieben werden, könnten zu topologisch geschützten Quantenzuständen führen. Diese sind besonders interessant für alle Anwendungen, die gegen äußere Störungen wie Hitze, Magnetfelder oder Materialverunreinigungen resistent sein müssen. Ein bekanntes Beispiel, das in den letzten Jahren viel Forschungsinteresse geweckt hat, sind Quantencomputer, die auf topologischen Quantenbits basieren.

Die Moleküle, die Karle und seine Kollegen untersuchen, würden jedoch in anderen Bereichen Anwendung finden. „Wir hoffen, dass diese Forschung es uns ermöglicht, viele chemische Reaktionen besser zu verstehen. Damit könnten wir sie auch besser steuern“, sagt Lemeshko. „Wir könnten Laser einsetzen, um topologisch geschützte Quantenzustände in Molekülen zu erzeugen, die ihre Reaktionsfähigkeit mit anderen Chemikalien je nach Bedarf erhöhen oder verringern. Der topologische Schutz würde den Quantenzustand des Moleküls stabilisieren, der sonst schnell verschwinden würde.“

Originalpublikation:
V. Karle, A. Ghazaryan, and M. Lemeshko. 2023. Topological charges of periodically kicked molecules. Physical Review Letters. DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.103202 

Kategorie: Forschung, News Stichworte: ISTA, Laser, Molekuel, Topologie

Haupt-Sidebar

Die aktuelle Chemie

Newsletter

  • Unser Newsletter-Archiv

Welkin Media News

Aktuelle Nachrichten aus unseren anderen Online-Portalen Lebensmittel-&Biotechnologie und Österreichische Kunststoffzeitschrift.

  • METTLER TOLEDO auf der interpack 2023
    am 31. März 2023 von Birgit Fischer (Lebensmittel- & Biotechnologie)

    METTLER TOLEDO Produktinspektion stellt auf der interpack im Mai 2023 Produktivität und Integration in den Mittelpunkt. Das Unternehmen präsentiert eine breite Palette intelligenter Produktinspektionssysteme – einige davon zum ersten Mal in […]

  • Wie schaut der Kunststoff im kleinsten Detail aus?
    am 30. März 2023 von Kerstin Sochor (Österreichische Kunststoffzeitschrift)

    Das Zentrum für Elektronenmikroskopie Graz unterstützt schon seit vielen Jahren zahlreiche Unternehmen in der Industrie. Insbesondere die erfolgreiche Aufklärung von Gegebenheiten im Nano- und Mikrometerbereich von Proben und Produkten stellen […]

  • Biesterfeld übernimmt europaweiten KRAIBON Vertrieb
    am 30. März 2023 von Birgit Fischer (Österreichische Kunststoffzeitschrift)

    Die Biesterfeld Spezialchemie und das Gummiwerk KRAIBURG gehen eine strategische Partnerschaft für den europaweiten Vertrieb von KRAIBON ein. Die dünne Folie aus unvernetztem Kautschuk kommt im Bereich Sport und Freizeit, in der Automobilindustrie […]

  • Industrieverpackungen: Für die sichere Reise rund um den Globus
    am 29. März 2023 von Birgit Fischer (Lebensmittel- & Biotechnologie)

    Der neueste interpack Fachartikel über Industrieverpackungen beleuchtet, wie neue Lösungen den hohen Transportanforderungen gerecht werden. Durch viele Innovationen gestaltet die Verpackungsindustrie den Transport noch sicherer, nachhaltiger, […]

  • Adaptive Systemdruckabsenkung für mehr Energieeffizienz
    am 28. März 2023 von Kerstin Sochor (Österreichische Kunststoffzeitschrift)

    Für hybride Spritzgießmaschinen von Netstal gibt es ab sofort eine neue Option: Die adaptive Systemdruckabsenkung ermittelt im Hydrauliksystem permanent den optimalen Betriebsdruck. Das nachrüstbare Feature senkt bei mindestens gleicher […]

  • Lebensmittelsicherheit bei Kunststoffverpackungen
    am 27. März 2023 von Kerstin Sochor (Österreichische Kunststoffzeitschrift)

    Das Projekt SafeCycle untersucht bis Dezember 2024 mögliche Quellen für die Kontaminationen von recycelten Kunststoffen mit DNA-reaktiven Substanzen. Ziel ist ein Maßnahmenkatalog mit klaren Empfehlungen zur Vermeidung von Kontaminationen in […]

  • Veranstaltung „Zukünftige, Europäische Verpackungsverordnung“
    am 27. März 2023 von Birgit Fischer (Lebensmittel- & Biotechnologie)

    Die Veranstaltung „Zukünftige, Europäische Verpackungsverordnung" von ARA und OFI am 12.04.2023 informiert über die Auswirkungen der neuen Verordnung. Insbesondere die vorgeschlagenen Änderungen der Verpackungsverordnung in den Themenbereichen […]

  • 1 Million korrekt entsorgte Verpackungen mit RecycleMich-App
    am 27. März 2023 von Kerstin Sochor (Österreichische Kunststoffzeitschrift)

    Österreichs erste Recycling-App feiert ihren zweiten Geburtstag mit einer stolzen Bilanz: 1 Million recycelte Einweg-Verpackungen aus Kunststoff und Metall, 18.000 glückliche Gewinnerinnen und Gewinner und Kooperationen mit Großevents wie dem […]

  • Cubicure erhält ISO 9001 Zertifizierung
    am 21. März 2023 von Birgit Fischer (Österreichische Kunststoffzeitschrift)

    Das Wiener 3D-Druck-Unternehmen Cubicure hat die ISO 9001 Zertifizierung von Qualitätsmanagementsystemen erhalten. Dank der Umsetzung dieser Norm konnte Cubicure die Wertschöpfungskette optimieren und dadurch die Produktentwicklung […]

  • Pipettier-Automation im Laborbetrieb
    am 21. März 2023 von Birgit Fischer (Lebensmittel- & Biotechnologie)

    Die Labor-Automatisierungslösung von Essert und Weiss Pharmatechnik ermöglicht es, Pipettierungsprozesse schneller und autonom auszuführen. Ein 6-Achs-Roboter ist mit einer elektronischen Pipette ausgestattet und führt Handlingsaufgaben […]

Schlagwörter

ABB Aktuelle Nachrichten über BASF analytica Analytik Analytik Jena Automation Automatisierung Awards B&R Borealis BR CEM CO2 Danfoss Digitalisierung Endress+Hauser EndressHauser Evonik FCIO Festo Finance Forschung Foto Freitag FotoFreitag Hardware Industrie 4.0 Jubiläum Kreislaufwirtschaft Labor LANXESS Lenzing Messe Messe München MesseNews Nachhaltigkeit OMV Personalia Publikation Pumpen Recycling Shimadzu Software Studium TU Graz Webinar

Kategorien

Copyright © 2023 · WelkinMedia Fachverlag