Exakter Blick auf Molekülorbitale
Abbildung der räumlichen Verteilung der Elektronen geglückt.
Orbitale zeigen ähnlich wie ein Foto in Langzeitbelichtung, wo sich Elektronen um ein Atom oder Molekül herum aufhalten. In Lehrbüchern werden sie oft als knallige Ballons oder Wolken dargestellt. Forschenden aus Jülich, Graz und Marburg ist nun ein wichtiger Schritt bei der Abbildung dieser räumlichen Verteilung der Elektronen geglückt. Ihnen gelang es erstmals, beide Arten von Molekülorbitalen zu erfassen. Neben den Pi- können nun auch Sigma-Orbitale dargestellt werden. Das Verfahren hilft, chemische Reaktionen auf molekularer Ebene noch genauer zu beobachten.
Vor einem Jahr hatten die Physiker des Forschungszentrums Jülich gemeinsam mit ihren Partnern eine Methode entwickelt, um Bilder von Elektronenorbitalen in extrem hoher zeitlicher Auflösung aufzunehmen. Nun gelang es ihnen erstmals, durch eine Erweiterung des Energiebereichs mit dem Verfahren neben den Pi-Orbitalen auch Sigma-Orbitale sichtbar zu machen. Diese Molekülorbitale entsprechen Bindungen zwischen Atomen. Sigma-Orbitale umschließen die gebunden Atome wie eine Hülle. Pi-Orbitale lagern sich dagegen üblicherweise ober- und unterhalb der atomaren Ebene an.
„Chemische Reaktionen sind letztlich nichts anderes als der Auf- und Abbau von chemischen Bindungen zwischen Atomen. Die Beobachtung der Molekülorbitale ist eine faszinierende Möglichkeit, ein präzises Bild vom Reaktionsablauf auf molekularer Ebene zu erlangen“, sagt Stefan Tautz, Leiter des Peter Grünberg Instituts für Quantum Nanoscience (PGI-3). „Man weiß vorher nicht, welche Orbitale sich verändern, daher ist es vorteilhaft, möglichst viele davon abbilden zu können.“
Die Experimente mit Synchrotronstrahlung wurden an der Metrology Light Source (MLS) der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Berlin in Zusammenarbeit mit Mathias Richter und Alexander Gottwald durchgeführt. Die Jülicher Forschenden betreiben dort an einer kalibrierten Beamline einen speziellen Analysator für die Orbital-Tomographie.
FZJ / JOL
