Quantenphysik: Eine Frage der Bindung

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Die chemische Bindung ist eines der zentralen Ordnungsprinzipien der mikroskopischen Welt. Sie bestimmt, wie sich Atome zusammenschließen, und bestimmt damit eine Vielzahl physikalischer und chemischer Eigenschaften von Quantensystemen über mehrere Längenskalen hinweg, von kleinen Molekülen und Biomolekülen bis hin zu makroskopisch großen, festen Materialien. Doch trotz ihrer grundlegenden Bedeutung und ihrer herausragenden Rolle sogar im naturwissenschaftlichen Unterricht der Oberstufe bleiben chemische Bindungen aus quantenmechanischer Sicht überraschend schwer fassbar. Sie sind für die Beschreibung von Materie unverzichtbar, obwohl es sich nicht um direkt beobachtbare Größen handelt.

In einem nun im Fachmagazin Nature Communications veröffentlichten Artikel geht die Gruppe um LMU-Physiker Dr. Christian Schilling, Mitglied am Exzellenzcluster MCQST, dieser seit Langem bestehenden Herausforderung mit Konzepten aus der Quanteninformationstheorie nach. Aufbauend auf ihrer Fachkompetenz im Bereich der Orbitalverschränkung in der Quantenchemie haben Schilling und sein Doktorand Lexin Ding – mittlerweile ETH-Fellow an der ETH Zürich – gemeinsam mit ihrem Partner Eduard Matito vom Donostia International Physics Center in Spanien einen neuen Rahmen entwickelt, um chemische Bindungen durch Quantenverschränkung besser zu verstehen.

Die Forscher stellten das Konzept der maximal verschränkten Atomorbitale (MEAOs) vor, deren Verschränkungsmuster die Bindungsstrukturen von Molekülen auf natürliche und systematische Weise offenbaren. Das Modell erfasst bemerkenswerterweise nicht nur herkömmliche Zwei-Zentren-Bindungen, wie sie durch Lewis-Strukturen beschrieben werden, sondern auch komplexere Bindungsphänomene, darunter Mehrzentrenbindungen, aromatische Systeme wie Benzol und vorübergehende Bindungsmuster, die während chemischer Reaktionen entstehen. Derart vielfältige Bindungsszenarien lassen sich nun innerhalb eines einzigen einheitlichen und vollständig ab-initio-basierten Rahmens beschreiben.

Die Arbeit legt einen tiefgreifenden Zusammenhang zwischen chemischer Bindung und Quantenverschränkung offen und etabliert eine einheitliche und 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.

Lexin Ding, Eduard Matito & Christian Schilling: Chemical bonding concepts emerge naturally from maximally entangled atomic orbitals. Nature Communications 2026