In einer internationalen Kooperation zwischen IBM Research, den Universitäten Manchester, Oxford und Regensburg sowie der ETH Zürich und der EPFL Lausanne ist es Forschenden gelungen, mit der Halb-Möbius-Topologie eine völlig neuartige molekulare Struktur zu realisieren. Mithilfe präziser Atommanipulation durch ein Rastersondenmikroskop erschuf das Team das exotische Molekül C13Cl2, welches eine helikale elektronische Struktur aufweist. Diese unterscheidet sich qualitativ grundlegend von allen bisher bekannten Molekülen und eröffnet neue Wege in der molekularen Materialforschung.
Die Halb-Möbius-Topologie: Komplexe Elektronenwindung im Nanoring
Das Molekül mit der chemischen Formel C13Cl2 bildet einen molekularen Ring mit einer chiralen Geometrie, besitzt also eine spezifische „Händigkeit“. Während es bei organischen Molekülen üblich ist, dass sich Elektronen über einen gesamten Ring erstrecken, liegt die Besonderheit hier in der inneren Verwindung dieser Verteilung.
In klassischen Möbius-Molekülen vollzieht die Elektronenverteilung bei einer Umrundung eine halbe Windung – vergleichbar mit einem um 180° gedrehten und dann geschlossenen Möbiusband. Bei C13Cl2 ist dieser Vorgang jedoch komplexer: Die Elektronenverteilung vollführt erst nach zwei vollständigen Umläufen eine halbe Windung. Diese als Halb-Möbius-Topologie bezeichnete Struktur nutzt die mathematische Topologie, um die einzigartige Art der räumlichen Verbindung innerhalb des Moleküls zu beschreiben.
Quantencomputing entschlüsselt schaltbare Halb-Möbius-Chiralität
Die spezifische Verdrehung der Elektronenverteilung ist untrennbar mit der Händigkeit des Moleküls verbunden, wobei die Forscher die Moleküle gezielt in ihre jeweiligen Spiegelbilder umschalten konnten. Diese Manipulation kehrt gleichzeitig die Chiralität der Elektronenstruktur um – ein Kernthema des neuen Exzellenzclusters Center for Chiral Electronics.
Für die Entdeckung waren Multireferenz-Berechnungen auf IBM-Quantenhardware maßgeblich, da sie den Mechanismus zur Stabilisierung der unerwarteten Topologie identifizierten. Zudem sagten diese Berechnungen helikale molekulare Dyson-Orbitale voraus, die als physikalischer Fingerabdruck der Halb-Möbius-Topologie gelten.
Molekulare Topologie: Neue Horizonte für Quantenphysik und Computing
Diese Forschungsarbeit demonstriert innovative Wege zur Erzeugung elektronischer Systeme mit neuartigen Topologien, wobei Fortschritte im Quantencomputing erstmals eine präzise theoretische Beschreibung dieser Strukturen ermöglichen. Die Synergie aus Experiment und Theorie eröffnet den Zugang zu bisher unbekannten Phänomenen, die tief in der molekularen Topologie verwurzelt sind. Letztlich vertieft dieser Ansatz unser grundlegendes Verständnis der Quantenphysik und damit jener Gesetze, die die materielle Welt bestimmen.
Quelle
Universität Regensburg (03/2026)