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. WissenschafterInnen der Karl-Franzens-Universität Graz, des Forschungszentrums Jülich und der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt Berlin ist es nun gelungen, diese Gebilde in allen drei Dimensionen experimentell zu erfassen. 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 Assoz.-Prof. Dr. Peter Puschnig von der Karl-Franzens-Universität Graz. Die Gesetze der Quantenmechanik bringen es mit sich, dass man nicht direkt beobachten kann, wie sich ein Elektron als Welle ausbreitet. Doch vor rund zwei Jahren gelang es den Grazer und Jülicher ForscherInnen 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 WissenschafterInnen 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. Um vergleichbare Werte zu erhalten, installierten die Jülicher ForscherInnen ihren Detektor an der Metrology Light Source der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Berlin. „Unsere Synchrotronstrahlungsquelle ist weltweit eine der wenigen, die einen genau kalibrierten Photonenfluss bereitstellt“, erklärt Dr. Alexander Gottwald von der PTB. Anhand der Daten aus den kalibrierten Messungen konnten die Grazer WissenschafterInnen im Rahmen des Forschungsschwerpunkts „Modelle und Simulation“ anschließend die Elektronenverteilung in 3D rekonstruieren.
Damit hat das Forschungsteam aus Jülich, Graz und Berlin die Wellenfunktion, die sich im quantenmechanischen Sinne eigentlich gar nicht direkt beobachten lässt, dennoch sichtbar gemacht. Die Ergebnisse sind ein lang gesuchter Beleg für die herrschenden Modellvorstellungen. Das Ergebnis ist darüber hinaus auch für die Physik relevant: „Unser Experiment liefert eine interessante neue physikalische Erkenntnis über den zugrundeliegenden Photoeffekt“, berichtet Stefan Tautz. Demnach lassen sich die Elektronen, die dabei herausgelöst werden, ganz ähnlich wie freie Elektronen beschreiben – eine Vorstellung, die man vor fast 50 Jahren aufgrund der angenommenen Streuung an den Atomkernen eigentlich schon verworfen hatte.
Publikation:
S. Weiß, D. Lüftner, T. Ules, E. M. Reinisch, H. Kaser, A. Gottwald, M. Richter, S. Soubatch, G. Koller, M. G. Ramsey, F. S. Tautz, and P. Puschnig, „Exploring three-dimensional orbital imaging with energy dependent photoemission tomography", Nature Communications (2015)
