Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Einmaliger Einblick ins Molekül

10.06.2014

Prozesse, die auf atomarer Größenskala ablaufen, lassen sich nur mit den Gesetzen der Quantenmechanik genau beschreiben.

Physikern der Universität Würzburg ist es jetzt erstmals experimentell gelungen, den Zustand eines solchen quantenmechanischen Systems vollständig zu erfassen.


Ein Bild, das einem Schnitt durch ein Molekülorbital im Realraum gleicht, war bislang experimentell nicht zu gewinnen. Physiker der Uni Würzburg haben es jetzt möglich gemacht.

(Grafik AG Schöll)

„Es ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu einem umfassenden Verständnis der natürlichen Prozesse in einer atomaren Größenordnung.“ Dieses Fazit zieht eine Gruppe Würzburger Experimentalphysiker in einer neuen Publikation, die gerade in dem renommierten Journal "Nature Communications" erschienen ist. Achim Schöll, Privatdozent am Lehrstuhl für Experimentelle Physik VII der Universität Würzburg, und seine Arbeitsgruppe haben gemeinsam mit Forschern aus Jülich und Triest einen Weg entdeckt, wie sich die räumliche Verteilung von Elektronen in einem Molekül experimentell bestimmen lässt.

Die Gesetze der Quantenmechanik

„Man muss sich der Gesetze der Quantenmechanik bedienen, wenn man die Vorgänge innerhalb eines Atoms oder eines Moleküls beschreiben will“, erklärt Achim Schöll. Wer in der Schule mal gelernt hat, dass Elektronen den Atomkern auf exakten Bahnen umkreisen - wie der Mond die Erde -, kommt mit seiner Vorstellung in der quantenmechanischen Welt nicht weit. Dort werden Teilchen als komplexe Wellenfunktionen behandelt, zur Beschreibung ihrer Eigenschaften dienen die Amplitude und die Phase dieser Wellen.

Experimentell bestimmen lassen sich diese beiden Werte allerdings nur sehr schwer: „Es gehört zur Natur des Messprozesses, dass in der Regel die Information über die Phase verloren geht“, sagt Schöll. Dies liegt daran, dass in den meisten Experimenten Intensitäten gemessen werden, die dem Quadrat der Wellenfunktion und damit der Aufenthaltswahrscheinlichkeit entsprechen. Dadurch geht die Information über die Phase, das heißt das Vorzeichen dieser Funktion , verloren.

Bisherige Experimente weisen Schwachstellen auf

Aus Sicht der Experimentalphysiker ist das unbefriedigend, schließlich ist die Phase bei so fundamentalen Prozessen wie der chemischen Bindung oder der Supraleitfähigkeit der entscheidende Wert. Nach einem Weg, diesen Wert im Experiment zu bestimmen, wird deshalb seit Jahren intensiv geforscht. Zwar gibt es bereits einige wenige Methoden, die es ermöglichen, die Phase zu bestimmen. „Mit diesen lässt sich allerdings nicht gleichzeitig die räumliche Verteilung der Elektronen ermitteln“, sagt Schöll.

Das Würzburger Experiment

Dass es doch möglich ist, im Experiment zur gleichen Zeit die Phase und die Aufenthaltswahrscheinlichkeit zu bestimmen, haben Schöll und seine Mitarbeiter jetzt gezeigt. Mit Hilfe der winkelaufgelösten Photoelektronenspektroskopie und zirkular polarisiertem Licht konnten sie dies erreichen.

Bei der Photoelektronspektroskopie „beschießen“ die Physiker ihre Probe mit UV- oder Röntgenlicht, welches Elektronen aus der Oberfläche der Probe auslöst. Aus der Austrittsrichtung und der kinetischen Energie dieser Elektronen können die Wissenschaftler beispielsweise Rückschlüsse auf die chemische Zusammensetzung und die elektronische Beschaffenheit des Festkörpers ziehen. Je nach Art der Untersuchung können sie außerdem dem Lichtstrahl besondere Eigenschaften mit auf den Weg geben. „Zirkular polarisiertes Licht“ bedeutet in diesem Fall: Die Ebene, in der die Lichtwelle schwingt, dreht sich im Kreis – mal links, mal rechts herum.

Die Symmetrie liefert die gewünschte Information

„Je nachdem, ob wir unser Molekül mit rechts oder links zirkular polarisiertem Licht bestrahlen, treten unterschiedliche Intensitätsverteilungen auf“, erklärt Schöll. Die Differenz dieser beiden Intensitäten, der sogenannte zirkulare Dichroismus, zeigt dann charakteristische Symmetrien, wenn die Einstrahlrichtung des Lichtes verändert wird. Daraus lässt sich die Phase der zugrunde liegenden Wellenfunktion ableiten. Zwar ergibt dieses Experiment die Phase ebenfalls nicht direkt. „Wir können aber die Symmetrie der Phase bestimmen und damit sagen, wo der Wert positiv und wo negativ ist“, sagt der Physiker.

Kombiniert mit den Messergebnissen der Aufenthaltswahrscheinlichkeit gewinnen die Physiker somit ein Bild, das einem Schnitt durch ein Molekülorbital im Realraum gleicht. Und wer das Molekülorbital kennt, kennt gleichzeitig auch die Eigenschaften des Moleküls.

Complete determination of molecular orbitals by measurement of phase symmetry and electron density. M. Wiener, D. Hauschild, C. Sauer, V. Feyer, A. Schöll & F. Reinert. Nature Communications, Published 9 June 2014; DOI: 10.1038/ncomms5156

Kontakt

Dr. Achim Schöll, T: (0931) 31-85127; achim.schoell@physik.uni-wuerzburg.de

Robert Emmerich | Julius-Maximilians-Universität Würzburg
Weitere Informationen:
http://www.uni-wuerzburg.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Planeten außerhalb unseres Sonnensystems: Bayreuther Forscher dringen tief ins Weltall vor
23.02.2017 | Universität Bayreuth

nachricht Kühler Zwerg und die sieben Planeten
23.02.2017 | ESO Science Outreach Network - Haus der Astronomie

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: „Vernetzte Autonome Systeme“ von acatech und DFKI auf der CeBIT

Auf der IT-Messe CeBIT vom 20. bis 24. März präsentieren acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften und das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) in Kooperation mit der Deutschen Messe AG vernetzte Autonome Systeme. In Halle 12 am Stand B 63 erwarten die Besucherinnen und Besucher unter anderem Roboter, die Hand in Hand mit Menschen zusammenarbeiten oder die selbstständig gefährliche Umgebungen erkunden.

Auf der IT-Messe CeBIT vom 20. bis 24. März präsentieren acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften und das Deutsche Forschungszentrum für...

Im Focus: Kühler Zwerg und die sieben Planeten

Erdgroße Planeten mit gemäßigtem Klima in System mit ungewöhnlich vielen Planeten entdeckt

In einer Entfernung von nur 40 Lichtjahren haben Astronomen ein System aus sieben erdgroßen Planeten entdeckt. Alle Planeten wurden unter Verwendung von boden-...

Im Focus: Mehr Sicherheit für Flugzeuge

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem totalen Triebwerksausfall zum Einsatz kommt, um den Piloten ein sicheres Gleiten zu einem Notlandeplatz zu ermöglichen, und ein Assistenzsystem für Segelflieger, das ihnen das Erreichen größerer Höhen erleichtert. Präsentiert werden sie von Prof. Dr.-Ing. Wolfram Schiffmann auf der Internationalen Fachmesse für Allgemeine Luftfahrt AERO vom 5. bis 8. April in Friedrichshafen.

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem...

Im Focus: HIGH-TOOL unterstützt Verkehrsplanung in Europa

Forschung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) unterstützt die Europäische Kommission bei der Verkehrsplanung: Anhand des neuen Modells HIGH-TOOL lässt sich bewerten, wie verkehrspolitische Maßnahmen langfristig auf Wirtschaft, Gesellschaft und Umwelt wirken. HIGH-TOOL ist ein frei zugängliches Modell mit Modulen für Demografie, Wirtschaft und Ressourcen, Fahrzeugbestand, Nachfrage im Personen- und Güterverkehr sowie Umwelt und Sicherheit. An dem nun erfolgreich abgeschlossenen EU-Projekt unter der Koordination des KIT waren acht Partner aus fünf Ländern beteiligt.

Forschung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) unterstützt die Europäische Kommission bei der Verkehrsplanung: Anhand des neuen Modells HIGH-TOOL lässt...

Im Focus: Zinn in der Photodiode: nächster Schritt zur optischen On-Chip-Datenübertragung

Schon lange suchen Wissenschaftler nach einer geeigneten Lösung, um optische Komponenten auf einem Computerchip zu integrieren. Doch Silizium und Germanium allein – die stoffliche Basis der Chip-Produktion – sind als Lichtquelle kaum geeignet. Jülicher Physiker haben nun gemeinsam mit internationalen Partnern eine Diode vorgestellt, die neben Silizium und Germanium zusätzlich Zinn enthält, um die optischen Eigenschaften zu verbessern. Das Besondere daran: Da alle Elemente der vierten Hauptgruppe angehören, sind sie mit der bestehenden Silizium-Technologie voll kompatibel.

Schon lange suchen Wissenschaftler nach einer geeigneten Lösung, um optische Komponenten auf einem Computerchip zu integrieren. Doch Silizium und Germanium...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Aufbruch: Forschungsmethoden in einer personalisierten Medizin

24.02.2017 | Veranstaltungen

Österreich erzeugt erstmals Erdgas aus Sonnen- und Windenergie

24.02.2017 | Veranstaltungen

Big Data Centrum Ostbayern-Südböhmen startet Veranstaltungsreihe

23.02.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Fraunhofer HHI auf dem Mobile World Congress mit VR- und 5G-Technologien

24.02.2017 | Messenachrichten

MWC 2017: 5G-Hauptstadt Berlin

24.02.2017 | Messenachrichten

Auf der molekularen Streckbank

24.02.2017 | Biowissenschaften Chemie