Schnittbild eines Molekülorbitals

Es sieht ein wenig aus wie eine Ansammlung von Bienenwaben, die sich in Gruppen von jeweils sieben Waben kreisförmig angeordnet haben: das Molekül Coronen. 24 Kohlenstoffatome bilden dabei sechs Benzolringe mit zwölf Wasserstoffatomen an der Außenseite. Im Unterschied zu einer Bienenwabe ist dieses Molekül allerdings flach.

Physiker der Universität Würzburg haben jetzt mit Hilfe einer speziellen Technik ein Bild dieses Moleküls gewonnen, das ihnen Informationen über ganz spezielle Eigenschaften, nämlich die Kopplung von Schwingungen an Anregung in der Elektronenhülle, liefert. Das war bisher nur auf der Basis theoretischer Berechnungen möglich. Unterstützt wurden sie dabei von Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts in Halle, der Universität Bayreuth und des Forschungszentrums Jülich. In der aktuellen Ausgabe der Physical Review Letters stellen sie ihre Arbeit vor.

Schwingungsvarianten im Molekül

„Die Elektronen in den Hüllen um die Atomkerne – Physiker sprechen von Atom- oder Molekülorbitalen – sind verantwortlich für die physikalischen, chemischen und strukturellen Eigenschaften von Atomen und Molekülen“, erklärt Dr. Achim Schöll, Physiker und Privatdozent am Lehrstuhl für Experimentelle Physik VII der Universität Würzburg. Dabei stehen die Elektronen allerdings immer auch in einer Wechselwirkung mit dem Molekülgerüst . Änderungen der Elektronenhülle führen somit auch zu einer Veränderung der Molekülstruktur und zur Anregung von Schwingung der Atomkerne.

Solche Veränderungen waren bislang im Experiment schon beobachtbar. Das Problem dabei: „Die experimentellen Daten haben uns nur gesagt, dass eine Schwingung eine bestimmte Energie besitzt. Allerdings gibt es in einem Molekül eine Menge Schwingungsmoden mit sehr ähnlicher Energie“, so Achim Schöll. Während nämlich in einem Molekül, das aus zwei Atomen aufgebaut ist, nur eine Schwingungsmode existiert – die Atome können sich nur aufeinander zu oder voneinander weg bewegen –steigt die Zahl der Möglichkeiten mit wachsender Atomanzahl schnell an.

Bessere Bilder dank neuer Technik

Ein detailreicheres Bild haben die Forscher jetzt mit Hilfe der winkelaufgelösten Photoelektronenspektroskopie gewonnen. In ihren Experimenten haben sie das Coronen-Molekül ionisiert – ihm also ein Elektron weggenommen – und dabei die Winkelverteilung der Elektronen analysiert. Diese Daten sind charakteristisch für ein bestimmtes Molekülorbital und zeigen bestimmte Veränderungen, wenn das Molekül aufgrund der Anregung von Schwingungen verzerrt wird. Der Vergleich der winkelabhängigen Messungen mit simulierten Verteilungen für alle in Frage kommenden Schwingungen wurde durch die effiziente Zusammenarbeit der Würzburger und Bayreuther Doktoranden Martin Graus und Matthias Dauth möglich und lieferte ihnen dann eine Übereinstimmung für eine spezielle Schwingungsmode.

Grundlagenforschung sei diese Arbeit, erklärt Achim Schöll. Konkrete Ergebnisse in Form von neuen Materialien mit überraschenden Eigenschaften würden sich nicht daraus ergeben – zumindest nicht sofort. Allerdings zeigen die Physiker damit einen neuen Weg auf, um den Zusammenhang von Ladung und Schwingung in einem Molekül weiter zu erforschen. Und diese Koppelung von Ladung und Schwingung ist dann eben doch entscheidend für die Eigenschaften vieler Materialien, auf die sich die Hoffnung der Wissenschaft richtet – beispielsweise wenn es darum geht, Supraleiter zu finden, die bereits bei Zimmertemperatur funktionieren, oder Halbleiter, die leistungsfähiger sind als die heute verwendeten.

Gut sechs Jahre haben die Vorarbeiten von Achim Schöll und seiner Arbeitsgruppe für den jetzt veröffentlichten Aufsatz gedauert. In den nächsten Schritten wollen die Physiker die Schwingungen weiterer Moleküle betrachten und deren Orbitale im angeregten Zustand im Realraum rekonstruieren.

Electron-Vibration Coupling in Molecular Materials: Assignment of Vibronic Modes from Photoelectron Momentum Mapping. M. Graus, M. Grimm, C. Metzger, M. Dauth, C. Tusche, J. Kirschner, S. Kümmel, A. Schöll, and F. Reinert. Physical Review Letters, dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.116.147601

Kontakt

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