Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Wie Elektronen schwingende Atomkerne überholen – Der Röntgenfilm

20.03.2012
Forscher des Max-Born-Institutes in Berlin verfolgten in Echtzeit die räumliche Schwingungsbewegung von Elektronen in einem Kristall, in dem sie einen Film mit Hilfe von ultrakurzen Röntgen-Blitzen drehten. Die äußeren Elektronen bewegen sich auf der Längenskala einer chemischen Bindung vor und zurück und modulieren somit die elektrischen Eigenschaften, während sich dabei die inneren Elektronen und die Atomkerne nur um 1% dieser Strecke bewegen.

Ein Kristall besteht aus einer regelmäßigen Anordnung von Atomen im Raum, auch Kristallgitter genannt, welches mit Hilfe der gegenseitigen, elektrostatischen Anziehungskräfte der Elektronenwolken benachbarter Atome zusammen gehalten wird. Die meisten der Elektronen sind stark an einen individuellen, positiv geladenen Atomkern gebunden. Die äußersten Elektronen eines Atoms heißen Valenzelektronen und bauen die Bindung zu den Nachbaratomen auf. Diese Bindungen bestimmen den Atomabstand im Kristall sowie wesentliche Eigenschaften, wie etwa seine elektrische Leitfähigkeit oder mechanische Stabilität.


(A) Einheitszelle des KDP-Kristalls [gelbe Kugeln: Phosphoratome (P), rosa: Kalium (K), rot: Sauerstoff (O), weiß: Wasserstoff. (B) Elektronendichte „Landkarte“ in dem eingezeichneten Rechteck vor der Laseranregung. Die schwarzen Linien deuten die Schachteln für verschiedene Atome an, in denen die Ladungsmenge und der Schwerpunkt der Ladungswolke gemessen werden. (C) und (D) Änderung der Ladungsdichte nach Laseranregung (rot: Ladungszunahme, blau: Abnahme). (E) Positionen der Atome in dieser Ebene und der Ladungsaustausch zwischen Phosphor und Sauerstoff. Die Elektronenwolke des Kaliumatoms zeigt Verzerrungen zwischen einer Zigarren- bzw. Pfannkuchen-Form. Abb. MBI

Die Atome in einem Kristallgitter sind nicht etwa in Ruhe, sondern schwingen um ihre jeweilige Gleichgewichtsposition. Die räumliche Auslenkung der Bewegung der Atomkerne zusammen mit ihren Elektronen in den inneren Schalen beträgt typischerweise nur ein Prozent des Abstandes zwischen den Atomen. Wie sich die äußeren Valenzelektronen während dieser Gitterschwingung verhalten, war bislang nicht klar und die Größe ihrer Auslenkung gänzlich unbekannt. Eine direkte Messung dieser Bewegung in Echtzeit ist sehr wichtig für ein grundlegendes Verständnis der statischen und dynamischen elektrischen Eigenschaften des Kristalls.

Um diese offene Frage zu klären, haben Flavio Zamponi, Philip Rothhardt, Johannes Stingl, Michael Wörner und Thomas Elsässer ein Röntgen-Reaktionsmikroskop gebaut, das eine Aufnahme der Elektronenbewegung in Echtzeit in einem Kristall erlaubt. Wie sie in der neuesten Ausgabe der Fachzeitschrift PNAS (doi/10.1073/pnas.1108206109) berichten, werden Gitterschwingungen in einem Kaliumdihydrogenphosphat (KDP)-Kristall mit Hilfe eines Laserblitzes angestoßen, der nur 50 Femtosekunden (1 fs = 10 hoch -15 Sekunden) dauert. Die momentanen Positionen der Atome und Elektronen werden dabei mit hoher räumlicher Auflösung mithilfe von 100 fs langen Röntgenblitzen gemessen, welche von den schwingenden Atomen gebeugt werden. Röntgenfotos, die zu verschiedenen Zeiten nach dem Start der Schwingung geschossen werden, bilden zusammen den gewünschten Röntgenfilm.

Es war eine große Überraschung für die Forscher aus Berlin, dass nach Anregung einer speziellen Schwingung in KDP, der sogenannten „weichen“ Schwingung (engl. soft mode), die äußeren Valenzelektronen sich um eine 30-mal größere Entfernung während der Schwingung bewegten als die Atomkerne und deren Elektronen in den inneren Schalen. Dieses Verhalten kann man direkt in den Elektronendichte-„Landkarten“ in Bild 1 beobachten. Währende der soft-mode Oszillation bewegt sich ein ursprünglich auf dem Phosphor (P)-Atom sitzendes Elektron zu einem seiner Sauerstoff (O)-Nachbarn (P-O Bindungslänge: 160 Pikometer (10 hoch -12 m)) und kehrt nach einer halben Oszillationsperiode wieder zum P-Atom zurück. Überraschenderweise bewegen sich dabei die beteiligten Atome nur wenige Pikometer, im krassen Gegensatz zum Lehrbuchwissen, nach dem man eine gemeinsame Bewegung aller Elektronen eines Atoms mit seinem Kern erwartet. Die überraschend weite Bewegung der Valenzelektronen kann man mit Hilfe der elektrostatischen Kräfte verstehen, die das schwingende Ionenkristallgitter während der soft-mode Oszillation auf die Elektronen ausübt. In den 1960er Jahren wurden schon Theorien entwickelt, die ein solches Verhalten vorhersagten. Jetzt ist endlich der experimentelle Nachweis gelungen. In dem begefügten Film sieht man die Iso-Elektronendichte-Oberfläche des Kaliumions und des Phosphations während einer soft-mode Oszillation in KDP.

Die neu entwickelte Pulvermethode der Femtosekunden-Röntgenbeugung kann auf viele andere Systeme angewendet werden, um ultraschnelle chemische und physikalische Strukturänderungen abzubilden.

Video
http://www.fv-berlin.de/news/videos/roentgenfilm/view
Originalarbeit:
doi/10.1073/pnas.1108206109

Christine Vollgraf | Forschungsverbund Berlin e.V.
Weitere Informationen:
http://www.mbi-berlin.de/
http://www.fv-berlin.de/news/videos/roentgenfilm/view

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Durchbruch mit einer Kette aus Goldatomen
17.02.2017 | Universität Konstanz

nachricht Zukunftsmusik: Neues Funktionsprinzip zur Erzeugung der „Dritten Harmonischen“
17.02.2017 | Laser Zentrum Hannover e.V.

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: Innovative Antikörper für die Tumortherapie

Immuntherapie mit Antikörpern stellt heute für viele Krebspatienten einen Erfolg versprechenden Ansatz dar. Weil aber längst nicht alle Patienten nachhaltig von diesen teuren Medikamenten profitieren, wird intensiv an deren Verbesserung gearbeitet. Forschern um Prof. Thomas Valerius an der Christian Albrechts Universität Kiel gelang es nun, innovative Antikörper mit verbesserter Wirkung zu entwickeln.

Immuntherapie mit Antikörpern stellt heute für viele Krebspatienten einen Erfolg versprechenden Ansatz dar. Weil aber längst nicht alle Patienten nachhaltig...

Im Focus: Durchbruch mit einer Kette aus Goldatomen

Einem internationalen Physikerteam mit Konstanzer Beteiligung gelang im Bereich der Nanophysik ein entscheidender Durchbruch zum besseren Verständnis des Wärmetransportes

Einem internationalen Physikerteam mit Konstanzer Beteiligung gelang im Bereich der Nanophysik ein entscheidender Durchbruch zum besseren Verständnis des...

Im Focus: Breakthrough with a chain of gold atoms

In the field of nanoscience, an international team of physicists with participants from Konstanz has achieved a breakthrough in understanding heat transport

In the field of nanoscience, an international team of physicists with participants from Konstanz has achieved a breakthrough in understanding heat transport

Im Focus: Hoch wirksamer Malaria-Impfstoff erfolgreich getestet

Tübinger Wissenschaftler erreichen Impfschutz von bis zu 100 Prozent – Lebendimpfstoff unter kontrollierten Bedingungen eingesetzt

Tübinger Wissenschaftler erreichen Impfschutz von bis zu 100 Prozent – Lebendimpfstoff unter kontrollierten Bedingungen eingesetzt

Im Focus: Sensoren mit Adlerblick

Stuttgarter Forscher stellen extrem leistungsfähiges Linsensystem her

Adleraugen sind extrem scharf und sehen sowohl nach vorne, als auch zur Seite gut – Eigenschaften, die man auch beim autonomen Fahren gerne hätte. Physiker der...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Die Welt der keramischen Werkstoffe - 4. März 2017

20.02.2017 | Veranstaltungen

Schwerstverletzungen verstehen und heilen

20.02.2017 | Veranstaltungen

ANIM in Wien mit 1.330 Teilnehmern gestartet

17.02.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Innovative Antikörper für die Tumortherapie

20.02.2017 | Medizin Gesundheit

Multikristalline Siliciumsolarzelle mit 21,9 % Wirkungsgrad – Weltrekord zurück am Fraunhofer ISE

20.02.2017 | Energie und Elektrotechnik

Wie Viren ihren Lebenszyklus mit begrenzten Mitteln effektiv sicherstellen

20.02.2017 | Biowissenschaften Chemie