Die Vermessung von Molekülen: Physiker der Uni Graz spüren Elektronenzustände auf
In einem iterativen Prozess werden die ARPES-Messungen mit einem Algortihmus zu Wellenfunktionen verrechnet und erneut interpretiert.
Seit der Formulierung der Quantenphysik vor gut hundert Jahren träumen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler davon, die quantenmechanischen Orbitale von Elektronen in Atomen, Molekülen und Festkörpern zu messen. Denn diese Orbitale bestimmen die chemischen und physikalischen Eigenschaften des Materials. Zwei Arbeitsgruppen um Ass.-Prof. Dr. Peter Puschnig und Ao.Univ.-Prof. Dr. Michael Ramsey am Institut für Physik an der Karl-Franzens-Universität Graz ist es nun gelungen, Elektronenorbitale von Kohlenwasserstoff-Molekülen auf einem Silbersubstrat sichtbar zu machen, indem sie Messungen an BESSY II mit ab inititio-Berechnungen kombiniert haben. Auch KollegInnen des deutschen „Forschungszentrums Jülich“ sind an der Arbeit beteiligt, die nun in der aktuellen Ausgabe der „Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS)“ publiziert worden ist.
In der Physik werden Elektronen nicht nur als Teilchen, sondern auch als Wellen beschrieben. In der Quantentheorie wird die Wellennatur mathematisch durch die räumliche Wellenfunktion, das Orbital, erfasst. „Orbitale beinhalten Informationen über die räumliche Verteilung der Elektronen bei einer bestimmten Energie. Sind sie bekannt, lassen sich alle relevanten Eigenschaften des Systems ableiten“, erklärt Puschnig. „Die Wellenfunktion selbst ist jedoch keine direkt beobachtbare Größe, die sich im Experiment bestimmen lässt.“ Deshalb waren die ForscherInnen überrascht, als sie kürzlich mithilfe eines experimentellen Aufbaus und eines mathematischen Tricks die vollständige Wellenfunktion inklusive deren Phasenbeziehung für eine Reihe von organischen Molekülen bestimmen konnten.
Vermessung von Orbitalen
Für ihre Untersuchungen verwendeten sie einen einfachen und unkonventionellen Zugang: In ihrem Versuchsaufbau bedienten sie sich des Photoeffekts und schossen mithilfe von ultraviolettem Licht die Elektronen förmlich aus den Molekülen heraus. Die anschließende Vermessung der Energie- und Winkelverteilung der Elektronen gab Aufschluss über deren Bindungsenergie und räumliche Verteilung im Molekül. Bei dieser Messmethode geht allerdings eine wichtige Information, die Phasenbeziehung, verloren.
Bei der Rekonstruktion dieser fehlenden Information kommt den PhysikerInnen etwas zugute, das mit den mathematischen Eigenschaften der „Fourier-Transformation“ zu tun hat: „Wenn man die räumliche Ausdehnung der Wellenfunktion kennt, die durch die Größe des Moleküls vorgegeben ist, so kann die fehlende Phase durch ein mathematisches Verfahren schrittweise rekonstruiert werden“, klärt der Doktorand Daniel Lüftner auf. Dass dieses Verfahren funktioniert, konnte am Beispiel von fünf Molekülorbitalen gezeigt werden. Diese rekonstruierten Orbitale werfen nicht nur ein neues Licht auf das theoretische Konzept von Orbitalen, sondern liefern wichtige Einblicke in das Verhalten von Elektronen an Grenzflächen zwischen Metallen und organischen Halbleitern.
Publikation: „Imaging the wave functions of adsorbed molecules“. PNAS, 2013, published online
- Neue Katalysatormaterialien auf Basis von Torf für BrennstoffzellenEisen-Stickstoff-Kohlenstoff-Katalysatoren haben das Potenzial, teure Platinkatalysatoren in Brennstoffzellen zu ersetzen. Dies zeigt eine Studie aus Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB), der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) und der Universitäten in Tartu und Tallinn, Estland. An BESSY II beobachtete das Team, wie sich komplexe Mikrostrukturen in den Proben bilden. Anschließend analysierten sie, welche Strukturparameter für die Förderung der bevorzugten elektrochemischen Reaktionen besonders wichtig waren. Der Rohstoff für solche Katalysatoren ist gut zersetzter Torf.
- Helmholtz-Nachwuchsgruppe zu MagnonenDr. Hebatalla Elnaggar baut am HZB eine neue Helmholtz-Nachwuchsgruppe auf. An BESSY II will die Materialforscherin sogenannte Magnonen in magnetischen Perowskit-Dünnschichten untersuchen. Sie hat sich zum Ziel gesetzt, mit ihrer Forschung Grundlagen für eine zukünftige Terahertz-Magnon-Technologie zu legen: Magnonische Bauelemente im Terahertz-Bereich könnten Daten mit einem Bruchteil der Energie verarbeiten, die moderne Halbleiterbauelemente benötigen, und das mit bis zu tausendfacher Geschwindigkeit.
Dr. Hebatalla Elnaggar will an BESSY II magnetische Perowskit-Dünnschichten untersuchen und damit die Grundlagen für eine künftige Magnonen-Technologie schaffen.
- Zukunft der Korallen – Was Röntgenuntersuchungen zeigen könnenIn diesem Sommer war es in allen Medien. Angetrieben durch die Klimakrise haben nun auch die Ozeane einen kritischen Punkt überschritten, sie versauern immer mehr. Meeresschnecken zeigen bereits erste Schäden, aber die zunehmende Versauerung könnte auch die kalkhaltigen Skelettstrukturen von Korallen beeinträchtigen. Dabei leiden Korallen außerdem unter marinen Hitzewellen und Verschmutzung, die weltweit zur Korallenbleiche und zum Absterben ganzer Riffe führen. Wie genau wirkt sich die Versauerung auf die Skelettbildung aus?
Die Meeresbiologin Prof. Dr. Tali Mass von der Universität Haifa, Israel, ist Expertin für Steinkorallen. Zusammen mit Prof. Dr. Paul Zaslansky, Experte für Röntgenbildgebung an der Charité Berlin, untersuchte sie an BESSY II die Skelettbildung bei Babykorallen, die unter verschiedenen pH-Bedingungen aufgezogen wurden. Antonia Rötger befragte die beiden Experten online zu ihrer aktuellen Studie und der Zukunft der Korallenriffe.