Symmetrieprojizierte quantenchemische Methoden für magnetische Moleküle

• Antragsteller: Dr. Shadan Ghassemi Tabrizi
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Chemie: Elektronenstruktur, Dynamik, Simulation
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 535298924

Komplexe offenschaliger Metallionen sowie Systeme mehrerer magnetisch gekoppelter Metallzentren sind in allen bekannten Lebensformen zu finden – der wasseroxidierende Cluster (Photosystem II) und der FeMo-Cofaktor (Nitrogenase-Enzyme) sind beispielhaft für die Nutzung der Sonnenenergie bzw. die Stickstofffixierung – und darüber hinaus von großem Interesse für Quantentechnologien. Insbesondere werden solche Moleküle als molekulare Datenspeicher (Einzelmolekülmagnete, single-molecule magnets, SMMs), als Qubits in Quantencomputern und für magnetische Kühlverfahren bzw. die Spintronik erforscht. Um ein theoretisches Verständnis bestehender Moleküle und Materialien zu erlangen und neue rationell zu entwerfen, werden einfache und effiziente quantenchemische Methoden für Elektronenstrukturrechnungen benötigt. Insofern das Problem der sogenannten starken Korrelation eine besondere Herausforderung für die angegebenen Systemklassen dar. Verbesserte Näherungsverfahren für die starke Korrelationen könnten somit Durchbrüche in der bioanorganischen Chemie, der Katalyse oder im Design von Quantenmaterialien ermöglichen. Die Quantenchemie leistet bereits heute unschätzbare Beiträge zu all diesen Forschungsgebieten, obwohl die starke Korrelation in der Tat ein anspruchsvolles Problem bleibt, wenn eine überwältigende Anzahl elektronischer Konfigurationen überlagert werden muss, um ein System qualitativ richtig zu beschreiben. Verteilungen von etwa 20 Elektronen in 20 Orbitalen können mit der Complete Active-Space Self-Consistent Field-Methode überlagert werden. Die Anwendungsmöglichkeiten sind damit recht eng begrenzt. Als Alternative zu solchen routinemäßig angewandten Techniken plane ich, Methoden basierend auf Symmetrieprojektion für eine umfassende Modellierung der charakteristischen Eigenschaften von ein- und mehrkernigen Übergangsmetallkomplexen zu implementieren und weiterzuentwickeln. Der inhaltliche Schwerpunkt liegt dabei auf dem molekularen Magnetismus. Die quantenchemische Quantifizierung der spinvibronischen Kopplung in SMMs soll die Grundlage bilden für nachfolgende Simulationen der Spindynamik. Ich hoffe, dadurch rationale Designprinzipien für verbesserte SMMs voranzubringen. Darüber hinaus werde ich Austauschwechselwirkungen in SMMs untersuchen, deren faszinierende Eigenschaften noch nicht vollständig verstanden sind. Insbesondere sollen kooperative Effekte in gemischten Übergangsmetall/Lanthanoid-Clustern, einschließlich gänzlich neuer Systeme, untersucht werden. Schließlich erscheinen Symmetrieprojektionsmethoden auch vielversprechend für das Heisenberg-Spin-Modell, das nur für die kleinsten Systeme exakt lösbar ist. Die verschiedenen Teilprojekte ergänzen sich gegenseitig und werden umfassende Vorhersagen der Eigenschaften magnetischer Moleküle ermöglichen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen