Grazer Physiker messen Elektronen-Orbitale in 3D

Die Elektronen eines Atoms bewegen sich nach den Gesetzen der Quantenmechanik in sogenannten Orbitalen um den Atomkern. Physiker träumen davon, ihr Verhalten besser zu verstehen und die Orbitale zu vermessen. Forschern aus Graz, Jülich und Berlin ist es nun gelungen, die Elektronenverteilung experimentell zu erfassen und ein 3D-Modell zu erstellen, teilte die Universität Graz am Montag mit.

Materialeigenschaften

Das physikalische Verhalten von Stoffen ist zum größten Teil durch die Wechselwirkungen und die Bewegungen der Elektronen innerhalb des Materials bestimmt. Die korrekte Beschreibung ihrer Verhalten wäre ein zentraler Schritt in Richtung Weiterentwicklung der Materialtechnologie.

Wer in der Schule noch gelernt hat, dass Elektronen den Atomkern auf exakten Bahnen als Teilchen umkreisen, kommt mit seiner Vorstellung in der quantenmechanischen Welt nicht weit. Dort werden Teilchen als komplexe Wellenfunktionen behandelt: die Orbitale.

Orbitale sichtbar machen

"Orbitale umfassen Informationen über die räumliche Verteilung der Elektronen bei einer bestimmten Energie. Sind sie bekannt, lassen sich alle relevanten Eigenschaften eines Materials ableiten", betonte Peter Puschnig vom Institut für Physik der Universität Graz. Gemeinsam mit Kollegen des Forschungszentrums Jülich und der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt Berlin hat er die Ergebnisse der experimentellen und theoretischen Forschung in der aktuellen Ausgabe des Magazins "Nature Communications" veröffentlicht.

Wie sich ein Elektron als Welle ausbreitet, lässt sich nicht direkt beobachten. Puschnig und seine internationalen Kollegen versuchen, die als Orbitale bezeichneten Bereiche über Umwege zu erfassen und dennoch sichtbar zu machen. Mithilfe der Photonenelektronentomografie wird eine Probe einer Molekülschicht auf einer Silberoberfläche mit Photonen aus einer UV-Lichtquelle beschossen, woraufhin sich die energetisch angeregten Elektronen herauslösen. "Diese lassen aufgrund der Winkel- und Energieverteilung Rückschlüsse auf die Molekülorbitale zu", schilderte Puschnig.

Komplexe Moleküle

Während die Forscher bisher schon einfache zweiatomige Moleküle beschrieben haben, konnten sie nun erstmals auch Orbitale erfassen, die sich über größere, komplexere Moleküle erstrecken. Dazu haben die Forscher das Experiment mit verschiedenen Energien - d. h. verschiedenen Wellenlängen - durchgeführt: "Dadurch lassen sich zusätzliche räumliche Tiefentransformationen gewinnen, ähnlich wie mit einer Kamera, die ein Motiv wiederholt mit variabler Brennweite aufnimmt", wird Stefan Tautz vom Forschungszentrum Jülich zitiert.

Zuletzt haben die Forscher anhand der Daten aus dem genau kalibrierten Photonenfluss des "Metrology Light Source der Physikalisch- Technischen Bundesanstalt in Berlin die Elektronenverteilung eines komplexen Moleküls in 3D rekonstruieren können.