Quantenphysik: Eine Frage der Bindung

Die chemische Bindung ist eines der zentralen Ordnungsprinzipien der mikroskopischen Welt. Sie bestimmt, wie sich Atome zusammenschließen. Damit steuert sie eine Vielzahl physikalischer sowie chemischer Eigenschaften von Quantensystemen über mehrere Längenskalen hinweg – von kleinen Molekülen und Biomolekülen bis hin zu makroskopischen Festkörpern. Doch trotz dieser fundamentalen Bedeutung und ihrer prominenten Rolle im naturwissenschaftlichen Oberstufenunterricht bleiben chemische Bindungen aus quantenmechanischer Perspektive überraschend schwer fassbar. Obwohl sie für die präzise Beschreibung von Materie absolut unverzichtbar sind, handelt es sich bei ihnen nicht um direkt beobachtbare Größen.

Quantenverschränkung entschlüsselt: Ein neuer Rahmen für chemische Bindungen

Die Forschungsgruppe um LMU-Physiker Christian Schilling begegnet dieser langjährigen Herausforderung mit Ansätzen aus der Quanteninformationstheorie. Basierend auf ihrer Expertise zur Orbitalverschränkung in der Quantenchemie haben Schilling und Lexin Ding zusammen mit ihrem Partner Eduard Matito ein neues theoretisches Fundament entwickelt, um chemische Bindungen über Quantenverschränkung tiefer zu verstehen. Die Wissenschaftler etablierten hierzu das Konzept der maximal verschränkten Atomorbitale (MEAOs), deren spezifische Verschränkungsmuster die Bindungsstrukturen von Molekülen ganz natürlich und systematisch offenbaren. Bemerkenswerterweise erfasst dieses Modell neben herkömmlichen Zwei-Zentren-Bindungen im Sinne von Lewis-Strukturen auch komplexere Phänomene wie Mehrzentrenbindungen, aromatische Systeme wie Benzol sowie transiente Bindungsmuster im Verlauf chemischer Reaktionen. Damit lassen sich diese unterschiedlichsten Bindungsszenarien erstmals in einem einzigen, einheitlichen und vollständig ab-initio-basierten Rahmen beschreiben.

Diese Arbeit legt eine tiefgreifende Verbindung zwischen chemischen Bindungen und Quantenverschränkung offen und etabliert damit eine einheitliche, quantitative Sprache zur Beschreibung von Bindungsphänomenen. „Künftig könnte das Konzept zu einem leistungsstarken Werkzeug für die Untersuchung komplexer molekularer Systeme, chemischer Reaktionen und unkonventioneller Bindungsmechanismen werden, bei denen herkömmliche Ansätze oft versagen“, sagt Schilling.

Quelle

Ludwig-Maximilians-Universität München (05/2026)