Kernspineffekte in molekularer Chiralität

• Antragsteller: Dr. Andrey Yachmenev
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen ; Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 572502325

Die Entdeckung der entscheidenden Rolle des Elektronenspins bei chiralen molekularen Wechselwirkungen (Chirality-Induced Spin Selectivity, CISS-Effekt) revolutioniert unser Verständnis der intermolekularen Kräfte in Chemie und Biologie. Traditionell wurde die Enantioselektivität, also die Fähigkeit chiraler Moleküle, unterschiedlich mit links- und rechtshändigen Gegenstücken zu interagieren, hauptsächlich auf Unterschiede in den relativen Molekülstrukturen und Ladungsverteilungen der interagierenden Spezies zurückgeführt. Der CISS-Effekt zeigt jedoch, dass selbst subtile Wechselwirkungen wie Spin-Austausch und Spin-Bahn-Kopplung eine kritische Rolle in diesen Prozessen spielen können. Aufbauend auf dieser Erkenntnis schlagen wir vor, theoretische quantenmechanische Studien zur Rolle von Kernspins in der molekularen Chiralität durchzuführen. Trotz ihrer schwächeren Wirkung im Vergleich zu Elektronenspins und elektrostatischen Kräften können Kernspins aufgrund ihrer Verschränkung mit räumlichen Kern- und elektronischen Quantenzuständen die chiralen Wechselwirkungen erheblich beeinflussen. Wir postulieren, dass die Symmetriebrechung von Kernspins, angetrieben durch interne Hyperfeinwechselwirkungen wie Kernquadrupol-, Spin-Rotations- und Spin-Spin-Wechselwirkungen, kombiniert mit der inhärenten Paritätssymmetriebrechung in chiralen Molekülen, zur Polarisierung der Kernspindichte führt. Diese polarisierte Kernspindichte ist durch die Anisotropie der Hyperfein-Tensoren intrinsisch mit der absoluten Molekülstruktur verknüpft und bietet neue Einblicke in die molekulare Chiralität. Die interdisziplinäre Bedeutung dieser Studie könnte experimentelle Bemühungen in der Messung von Paritätsverletzungen voranbringen, insbesondere im kernspinabhängigen Bereich. Darüber hinaus könnte die Verknüpfung von Kernspinpolarisierung mit elektronischem CISS bestehende Lücken im Verständnis der spininduzierten Enantioselektivität und des Zusammenspiels zwischen Spin und molekularer Chiralität überbrücken. Die bemerkenswerte Stabilität von Kernspinzuständen legt nahe, dass diese Mechanismen als neue Marker dienen könnten, um die Geschichte chiraler Moleküle in kosmischen Umgebungen nachzuverfolgen und möglicherweise Einblicke in die Ursprünge der Homochiralität im irdischen Leben zu bieten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen