Elektronenwolken in 3D

Mit Hilfe der Laser-Tomografie gelang es Forschern aus Kanada, Elektronen-Orbitale von Stickstoff zu fotografieren.

Ottawa (Kanada) - Wie eine Wolke umgeben Elektronen ein Atom oder Molekül. In Form von Orbitalen, ziehen sie - behaftet mit verschiedenen Wahrscheinlichkeiten - ihre Flugbahnen. Soweit das Modell. Kanadischen Physikern gelang es nun mit extrem kurzen Laserpulsen im Femtosekunden-Bereich diese Elektronenwolken quasi zu fotografieren. Mit dieser Laser-Tomografie, die sie in der Fachzeitschrift "Nature" beschreiben, könnte sogar das Verhalten der Elektronen beim Ablauf chemischer Reaktionen genauer beobachtet werden.

"Bisher war es unmöglich, einzelne Orbitale auf der Zeitskala chemischer Reaktionen zu beobachten", berichten Jiro Itatani und seine Kollegen vom National Research Council of Canada in Ottawa. "Aber hier zeigen wir, dass die volle dreidimensionale Struktur eines einzelnen Orbitals mit einer unwahrscheinlich scheinenden Technik abgebildet werden können." Polarisierte 800-Nanometer-Laserlichtpulse regen dazu ein Valenzelektron eines Stickstoffmoleküls an, sodass es seine ursprüngliche Flugbahn verlässt. Wird das elektrische Feld, dass durch den Laserpuls aufgebaut wird, jedoch umgekehrt, bewegt sich dieses Elektron wieder zurück auf das Molekül hin. Dabei wird ein Lichtpuls ausgesendet, der auf den Aufprallwinkel des Elektrons auf das Orbital des Moleküls zurückschließen lässt.

Mit extrem kurzen Laserpulsen konnten kanadische Forscher nach diesem Prinzip die Orbitale von Valenzelektronen eines Stickstoffmoleküls sichtbar machen. (Quelle: Nature)

"Obertöne" dieser emittierten Lichtwelle, so genannte "Höhere Harmonische", sind dabei der Schlüssel für einen erfolgreiche Schnappschuss eines Orbitalbereichs. Denn das zurückfallende Elektron verfügt selbst über eine Energie, die einer Wellenlänge von 0,14 Nanometer entspricht. Dadurch verändert sich das Spektrum des ausgesendeten Lichts zwischen dem Ultraviolett- und Röntgenbereich derart, dass eben jene Oberschwingungen entstehen und gemessen werden können. Die Wellenlänge des Elektrons ist dabei kurz genug, um die Orbitalstruktur bei der Kollision nach dem Zurückfallen mit hoher Auflösung wiederzugeben.

Itanani und Kollegen sammelten nun zahlreiche Spektren dieses emittierten Lichts. Dabei standen das Stickstoff-Molekül und die Flugbahn des zurückfallenden Elektrons in vielen verschiedenen Winkeln zueinander. Die jeweils nach einer Kollision aufgefangenen Lichtstrahlen spiegeln folglich die Bedingungen bei ebenso vielen, verschiedenen Auftreffpunkten auf das Molekülorbital wieder. Mit einem Verfahren, das medizinischen Tomografie-Methoden entliehen ist, konnten sie aus diesen zahlreichen Daten ein dreidimensionales Modell des Molekülorbitals berechnen.

"In naher Zukunft sollte es möglich sein, die Elektronenwolken - also die Bindungen eines Moleküls - direkt während einer chemischen Reaktion zu beobachten", schätzt Henrik Stapelfeldt von der dänischen Universität Aarhus die Chancen dieser Tomografie-Methode ab. Damit eröffne sich ein Blick in die grundlegendsten Vorgänge der Chemie. Mit einem tieferen Verständnis chemischer Reaktionen ließen sich so Synthese-Prozesse besser planen. Physiker könnten sich zudem bestätigt fühlen, wenn sie die Chemie "nur" als die Physik der äußeren Elektronen bezeichnen.

Jan Oliver Löfken

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  J. Itanani et al., Tomographic imaging of molecular orbitals, Nature 432, 867 (2004).
  http://dx.doi.org/10.1038/nature03183 
• Henrik Stapelfeldt, Electrons frozen in motion, Nature 432, 809 (2004).
  http://dx.doi.org/10.1038/432809a 
• National Research Council of Canada, Ottawa: 
  http://www.nrc-cnrc.gc.ca/main_e.html 
• Stacie Institute for Molecular Sciences: 
  http://steacie.nrc-cnrc.gc.ca/main_e.html 
• Arbeitsbereich Femtesekunden-Forschung: 
  http://steacie.nrc-cnrc.gc.ca/research_programs/femtoscience/fs_index_e.html 
• Spezielle Dokumente und Informationen zum Thema Tomographie finden Sie ganz einfach mit der Findemaschine, z. B. mit Hilfe der Kategorieverknüpfung Festkörperphysik+Publikationen.

Weitere Literatur:

• Linus, C. P. The Nature of the Chemical Bond and the Structure of Molecules and Crystals (Cornell Univ. Press, Ithaca, New York, 1960). 
• Kak, A. C. & Slaney, M. Principles of Computerized Tomographic Imaging (Society for Industrial and Applied Mathematics, New York, 2001). 
• Stapelfeldt, H. & Seideman, T. Aligning molecules with strong laser pulses. Rev. Mod. Phys. 75, 543–557 (2003). 
• Niikura, H. et al. Sub-laser-cycle electron pulses for probing molecular dynamics. Nature 417, 917–922 (2002). 
• Skovsen, E., Stapelfeldt, H., Juhl, S. & Mølmer, K. Quantum state tomography of dissociating molecules. Phys. Rev. Lett. 91, 090406