Molekülorbital vollständig vermessen

In der Quantenmechanik werden die Zustände von Teilchen mithilfe komplexer Wellenfunktionen beschrieben, charakterisiert durch eine Amplitude und eine Phase. Misst man im Experiment jedoch die Intensität, geht in der Regel die Information über die Phase verloren. Damit fehlt eine wichtige Größe, um die räumliche Verteilung von Elektronen in Atomen und Molekülen vollständig darstellen zu können. Physikern ist es jetzt erstmals gelungen, diese zwei quantenmechanischen Parameter im gleichen Experiment zu messen. Von ihren Ergebnissen berichten die Forscher in der Fachzeitschrift „Nature Communications“.

Ein dreidimenionales Koordinatensystem mit senkrecht aufeinander stehenden Achsen. Entlang der y-Achse reihen sich von links nach rechts längliche Orbitale wie Perlen in zwei verschiedenen Farben auf. Von links oben fällt ein Lichtstrahl aus Photonen ein, dessen zirkulare Polarisation durch zwei Kreise angedeutet ist, die einmal links- und einmal rechtsherum drehen. Unter dem Koordinatensystem ein flacher, zweidimensionaler Schnitt durch die oben gezeigte Orbitalstruktur, die Wolkenflecken in einer sechseckigen Wabenstruktur gleicht.
Schnitt durch ein Molekülorbital

Das Team um Michael Wießner von der Universität Würzburg bestrahlte ein Farbpigment mit ultraviolettem Licht, wodurch sich Elektronen aus der Oberfläche der Probe herauslösten. Aus der Austrittsrichtung und der Bewegungsenergie dieser Elektronen konnten die Forscher Rückschlüsse auf die elektronische Beschaffenheit der Probe ziehen. Zudem war das UV-Licht zirkular polarisiert: Die Ebene, in der die Lichtwelle schwingt, dreht sich im Kreis – mal links, mal rechts herum. „Je nachdem, ob wir unser Molekül mit rechts oder links zirkular polarisiertem Licht bestrahlen, treten unterschiedliche Intensitätsverteilungen auf“, erklärt Koautor Achim Schöll vom Karlsruher Institut für Technologie. Zwar ergibt sich die Phase nicht direkt aus dieser Differenz der Intensitäten. „Wir können aber die Symmetrie der Phase bestimmen und damit sagen, wo der Wert positiv und wo negativ ist“, sagt der Physiker.

Auf diese Weise konnten die Wissenschaftler aus dem gleichen Experiment zwei Informationen gewinnen: die Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Elektronen, die sich aus der gemessenen Intensität ergibt, und das Vorzeichen der zugrunde liegenden, quantenmechanischen Wellenfunktion. Miteinander kombiniert ergeben die Messergebnisse zweidimensionale Schnitte durch das vollständige, räumliche Bild eines Molekülorbitals – also die Form der Elektronenwolke, die die Atomkerne im untersuchten Farbpigment umgibt.

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“, erläutert Schöll. Mit dem neuen Ansatz können Experimentalphysiker künftig atomare Prozesse bei der chemischen Bindung oder der Supraleitung genauer erforschen. Denn wer das vollständige Molekülorbital kennt, kennt auch die Eigenschaften des Moleküls.