Elektronenpaar im Heliumatom abgebildet

Den genauen Ort, an dem sich Elektronen in einem Atom befinden, können Physiker nicht feststellen. Immerhin können sie den Raum eingrenzen, in dem sich die Ladungsträger höchstwahrscheinlich aufhalten. Wenn Elektronen sich bewegen, verändern sich diese Bereiche ihrer größten Aufenthaltswahrscheinlichkeit. In manchen Zuständen der Elektronen – sogenannten Überlagerungszuständen – geschieht dies in einem Pulsieren mit regelmäßigem Takt. Genau diese pulsierende Bewegung haben Wissenschaftler um Christian Ott vom Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg nun in einer Bilderserie festgehalten. Ihre Ergebnisse stellte das Team nun in der Zeitschrift „Nature“ vor.

Auf dunklem Hintergrund sind helle Strukturen zu erkennen, die sich mit der Zeit auseinander bewegegen.
Pulsierende Bewegung eines Elektronenpaars

„Die Bewegung einzelner Elektronen im Atom hat man bereits häufiger abgebildet und auch manipuliert“, sagt Ott. „Wir haben dies nun für ein kurzzeitig gebundenes Elektronenpaar erreicht.“ Dafür schickten die Physiker zwei Laserpulse durch eine Zelle mit Heliumgas. Mit einem ultravioletten Blitz beförderten die Forscher die Elektronen eines Heliumatoms zunächst in eine ultraschnell pulsierende Bewegung, in der sich das Paar erst näher am Kern befindet, sich dann davon entfernt und wieder zum Kern zurückkehrt. Mithilfe eines schwachen sichtbaren Laserpulses ermittelten sie dann, wo sich die Elektronen gerade aufhalten. Und indem sie den Abstand zwischen dem ultravioletten Laserpuls und dem sichtbaren Puls variierten, nahmen sie die Teilchen jeweils in unterschiedlichen Positionen der zyklischen Bewegung auf. „Dabei bilden wir zwar nicht direkt ab, wo sich die Elektronen aufhalten“, erklärt Koautor Thomas Pfeifer, ebenfalls vom Max-Planck-Institut für Kernphysik. „Der sichtbare Puls liefert uns aber die relative Phase des Überlagerungszustandes.“ Aus diesen Informationen über die quantenmechanischen Wellenfunktionen, mit denen sich die beiden Elektronen beschreiben lassen, konnten die Physiker dann rekonstruieren, an welcher Stelle um das Heliumatom sich die Teilchen gerade befinden.

Erhöhten Ott und seine Kollegen die Intensität des sichtbaren Laserpulses, verschoben sich die Zeitpunkte, zu denen sich die Elektronen nahe am Atomkern beziehungsweise weiter weg davon aufhielten. Auf diese Weise ließ sich die Bewegung der beiden Teilchen gezielt steuern. Bisher können die Forscher zwar noch nicht alle Details erklären, die sie in den Experimenten mit intensiven Laserblitzen beobachten. Doch schon jetzt liefern die Experimente wertvolle Einblicke in die Wechselwirkung von Atomen mit Licht. Auch für Chemiker sind die Ergebnisse interessant: Denn eine typische chemische Bindung besteht aus genau so einem Elektronenpaar.