Beobachtung des Unbeobachtbaren: Forscher messen Elektronenorbitale von Molekülen in 3D | 2020

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Anonim

In der Quantenphysik verhalten sich Elektronen sowohl als Teilchen als auch als Wellen. Die Wellennatur kann durch die räumliche Wellenfunktion, das Orbital, beschrieben werden. "Orbitale enthalten Informationen über die räumliche Verteilung der Elektronen bei einer bestimmten Energie. Wenn sie bekannt sind, können alle relevanten Eigenschaften eines Materials abgeleitet werden", erklärt Prof. Peter Puschnig von der Universität Graz. Die Gesetze der Quantenmechanik verhindern jedoch die direkte Beobachtung der Ausbreitung eines Elektrons als Welle.

2004 hat ein Team kanadischer und japanischer Wissenschaftler mit einem Hochenergielaser gezeigt, dass diese Bahnfunktion indirekt abgebildet werden kann - zumindest für einfache zweiatomige Moleküle. Etwa zehn Jahre später zeichneten Forscher aus Graz und Jülich erstmals Orbitale größerer komplexer Moleküle auf, allerdings nur in zwei Dimensionen. Für ihre Messungen verwendeten sie Photoelektronenspektroskopie, basierend auf dem photoelektrischen Effekt. Bei diesem Verfahren wird eine molekulare Schicht auf einer Silberoberfläche mit Photonen (Lichtteilchen) beschossen, wodurch die energetisch angeregten Elektronen freigesetzt werden. "Die Elektronen fliegen nicht einfach im Weltraum herum. Stattdessen lassen sich aufgrund ihrer Winkel- und Energieverteilung Rückschlüsse auf die Molekülorbitale ziehen", sagt Puschnig.

Durch die Weiterentwicklung dieser Methode ist es den Wissenschaftlern nun gelungen, die Orbitale in allen drei Dimensionen zu rekonstruieren. Dies bedeutete, dass das Experiment mit verschiedenen Photonenenergien, d. H. Verschiedenen Wellenlängen des Lichts, im ultravioletten Bereich durchgeführt werden musste. "Zusätzliche Informationen zur dritten Dimension können mit variablen Wellenlängen erhalten werden, ähnlich wie eine Kamera wiederholte Bilder eines Objekts mit variablem Fokus macht", erklärt Prof. Stefan Tautz vom Forschungszentrum Jülich. Es dauerte jedoch lange, bis die in verschiedenen Messreihen gesammelten Daten zu einem räumlichen Modell zusammengefasst werden konnten.

"Bisher konnten wir die gemessenen Intensitäten unterschiedlicher Photonenenergien nicht vergleichen", sagt Prof. Michael Ramsey vom Institut für Physik der Universität Graz. "Zusammen mit der Photonenenergie ändert sich durch den Photonenfluss auch die absolute Anzahl der einfallenden Photonen, die für die 3D-Rekonstruktion bekannt sein müssen. Diese Anzahl ist jedoch schwer genau zu messen", ergänzt Dr. Serguei Soubatch aus Jülich Peter-Grünberg-Institut (ggA-3).

Um vergleichbare Werte zu erhalten, installierten die Jülicher Forscher ihren Detektor an der Metrology Light Source (MLS) der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Berlin. "Unsere Synchrotronstrahlungsquelle ist eine der wenigen weltweit, die einen genau kalibrierten Photonenfluss liefert", erklärt Dr. Alexander Gottwald von der PTB. Anhand der Daten aus den kalibrierten Messungen konnten die Grazer Wissenschaftler dann die Elektronenverteilungen in drei Dimensionen rekonstruieren.

Das Forscherteam aus Jülich, Graz und Berlin konnte so die Wellenfunktion beobachten, die nach den Regeln der Quantenmechanik tatsächlich als nicht beobachtbar gilt. Die Ergebnisse sind ein lang ersehnter Beweis für das Orbitalkonzept als solches. 1977 beschrieb beispielsweise der Orbital-Theoretiker Kenichi Fukui, der 1981 zusammen mit Roald Hoffmann den Nobelpreis für Chemie erhielt, das Konzept der Molekülorbitale als "etwas unwirklich" (Intern. J. Quantum Chem. 12, 277).

Und wie Hoffmann 1999 sagte, schreiben selbst Theoretiker, die Orbitale in ihrer täglichen Arbeit verwenden, ihnen die notwendige Realität nicht wirklich zu: "… Die Physiker und Chemiker, die die Dichtefunktionaltheorie so fruchtbar anwenden, haben sich im Großen und Ganzen gescheut, sie zuzuschreiben … umkreist die Realität, die sie verdienen (wir denken) "(J. Am. Chem. Soc. 121, 3414).

Das Ergebnis ist auch für die Physik relevant: "Unser Experiment liefert wichtige neue physikalische Erkenntnisse über den zugrunde liegenden photoelektrischen Effekt", sagt Stefan Tautz. Überraschenderweise können die freigesetzten Elektronen sehr ähnlich wie freie Elektronen beschrieben werden - eine Idee, die vor fast 50 Jahren aufgrund der angenommenen Streuung durch die Atomkerne verworfen wurde.