Erste Aufnahme von sich bewegenden Elektronen

Dieses Bild wurde durch Röntgenfotografie erzeugt, bei einer extrem kurzen Belichtungszeit (Größenordnung: Attosekunde [1]) und einer sehr hohen räumlichen Auflösung (Größenordnung: Angström [2]). Die Ergebnisse wurden am 1. März 2010 in der Zeitschrift „Nature Physics“ veröffentlicht [3].

Nach den Gesetzen der Quantenmechanik ist es auf mikroskopischer Ebene ausgeschlossen, dass gleichzeitig Position und Geschwindigkeit eines Elementarteilchens mit Genauigkeit bestimmt werden können (Heisenbergsche Unschärferelation). Des Weiteren beeinflusst die Messung das System, so dass man in diesem Bereich nur von Wahrscheinlichkeiten, jedoch nicht von Gewissheiten ausgehen kann. Die Modellierung dieser Wahrscheinlichkeitsmessungen bezüglich des atomaren Zustandes beruht auf dem Konzept der Einzelelektronen-Wellenfunktionen (Orbitale), die eigentlich nur ein mathematisches Hilfsmittel zur Beschreibung der Aufenthaltswahrscheinlichkeit eines Elektrons darstellen.

Daraus ergab sich die Frage, ob diese Wellenfunktionen eventuell doch beobachtbar sind. Ein erster Schritt in diese Richtung gelang 2004 einem kanadischen Forschungsteam, das eine Möglichkeit zur Beobachtung eines Orbitalen vorschlug. Die Methode beruht auf einer tomografischen Untersuchung der Röntgenstrahlung, die von Molekülen, stark angeregt durch einen Laserimpuls, ausgestrahlt werden.

Dieses Konzept wurde nun zum ersten Mal unter der Leitung von Richard Taïeb (Theorie, UPMC/CNRS) und Pascal Salières (Praxis, CEA) umgesetzt. Es gelang diesen beiden Teams, die auf die Charakterisierung, die Steuerung und die Verwendung von Attosekunden-Röntgenstrahlen spezialisiert sind, die Voraussetzungen zur Beobachtung der zwei äußeren Orbitalen eines Stickstoff-Moleküls (N2) zu schaffen. So konnten sie, ca. 1500 Attosekunden nach der Anregung, eine Momentaufnahme der Wellenfunktion der Elektronen dieses Moleküls machen.

Diese neuen Ergebnisse zeigen, dass Wellenfunktionen unter bestimmten Voraussetzungen beobachtbar sind.

Dadurch ist es jetzt möglich, die ultra-schnelle Dynamik der Elektronen innerhalb eines Moleküls zu verfolgen, wenn eine ausreichend kurze Belichtungszeit von wenigen Attosekunden und eine ausreichend hohe räumliche Auflösung im Bereich eines Angströms verwendet werden. Somit sollte eine Möglichkeit geboten sein, experimentelle „Filme“ zu realisieren, die den Umordnungsmechanismus molekularer Orbitale während einer chemischen Reaktion aufzeigen. [1] Eine Attosekunde entspricht 10-18 Sekunden [2] Ein Angström entspricht 10-10 Metern [3] Vollständige Referenz: S. Hässler et al., „Attosecond imaging of molecular electronic wavepackets“, Nature physics, 1. März 2010

Quelle: „Première „photographie“ d'électrons en mouvement dans une molécule“, Pressemitteilung des CEA – 01.03.2010 http://www.cea.fr/le_cea/actualites/electrons_en_mouvement-32260

Redakteur: Sebastian Ritter, sebastian.ritter@diplomatie.gouv.fr

Wissenschaft-Frankreich (Nummer 179 vom 17.03.2010) Französische Botschaften in Deutschland und Österreich