Das Unsichtbare sichtbar machen Forscher messen Elektronenorbitale von Molekülen in 3D

Vielen sind sie vielleicht noch aus dem Schulunterricht bekannt: Oftmals als bunte Wolken oder Ballons dargestellt, geben Elektronenorbitale Auskunft über den Aufenthaltsort der Elektronen von Atomen und Molekülen. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Karl-Franzens-Universität Graz, des Forschungszentrums Jülich und der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt ist es nun gelungen, diese Gebilde in allen drei Dimensionen experimentell zu erfassen.

Anbieter zum Thema

MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

dataTec AG

MTM Power Messtechnik Mellenbach GmbH

Forschungszentrum Jülich GmbH

Für ihre Untersuchung nutzten sie die Weiterentwicklung einer Methode, mit der sie die Orbitale vor zwei Jahren bereits zweidimensional sichtbar machen konnten. Ihre Ergebnisse haben sie im Fachmagazin "Nature Communications" veröffentlicht.

In der Physik werden Elektronen nicht nur als Teilchen, sondern auch als Wellen behandelt. Diese Wellennatur lässt sich über die räumliche Wellenfunktion, das Orbital, beschreiben. "Orbitale beinhalten Informationen über die räumliche Verteilung der Elektronen bei einer bestimmten Energie. Sind sie bekannt, lassen sich alle relevanten Eigenschaften eines Materials ableiten", erklärt Prof. Peter Puschnig von der Karl-Franzens-Universität Graz. Doch die Gesetze der Quantenmechanik bringen es mit sich, dass man nicht direkt beobachten kann, wie sich ein Elektron als Welle ausbreitet.

Ein kanadisch-japanisches Wissenschaftler-Team zeigte im Jahr 2004 mithilfe eines hochenergetischen Lasers, dass sich diese Orbitalfunktion – zumindest für einfache zweiatomige Moleküle – über Umwege trotzdem abbilden lässt. Rund zehn Jahre später gelang es den Grazer und Jülicher Forschern erstmals, auch solche Orbitale zu erfassen, die sich über größere, komplexe Moleküle erstrecken. Für ihre Messungen nutzten sie eine Form der sogenannten Photoelektronenspektroskopie, die auf dem Photoeffekt beruht: Dabei wird eine Molekülschicht auf einer Silberoberfläche mit Photonen, also Lichtteilchen, beschossen, woraufhin sich die energetisch angeregten Elektronen herauslösen. "Diese fliegen danach nicht willkürlich durch den Raum, sondern lassen aufgrund der Winkel- und Energieverteilung Rückschlüsse auf die Molekülorbitale zu", so Puschnig.

Mit einer Weiterentwicklung der Methode ist es den Wissenschaftler nun gelungen, die Sichtbarkeit der Orbitale von der zwei- auf die dreidimensionale Ebene zu bringen. Dazu war es nötig, das Experiment mit verschiedenen Energien, also verschiedenen Wellenlängen des Lichts, im ultravioletten Bereich durchzuführen. "Mit unterschiedlichen Wellenlängen lassen sich zusätzliche räumliche Tiefeninformationen gewinnen, ähnlich wie mit einer Kamera, die ein Motiv wiederholt mit variabler Brennweite aufnimmt", erläutert Prof. Stefan Tautz vom Forschungszentrum Jülich. Doch lange ließen sich die Daten, die aus unterschiedlichen Messreihen stammen, nicht zu einem räumlichen Modell vereinen.

"Bislang konnten wir die gemessenen Intensitäten, die von verschiedenen Photonenenergien herrühren, nicht miteinander vergleichen", berichtet Prof. Michael Ramsey vom Institut für Physik der Uni Graz. "Zusammen mit der Energie ändert sich auch der Photonenfluss, also die absolute Zahl der eingehenden Photonen, die für die 3D-Rekonstruktion bekannt sein muss. Doch in der Regel lässt sich dieser Wert gar nicht genau erfassen", ergänzt Dr. Sergey Subach vom Jülicher Peter Grünberg Institut (PGI-3).

(ID:43636894)