Die Vermessung von Molekülen: Physiker der Uni Graz spüren Elektronenzustände auf
In einem iterativen Prozess werden die ARPES-Messungen mit einem Algortihmus zu Wellenfunktionen verrechnet und erneut interpretiert.
Seit der Formulierung der Quantenphysik vor gut hundert Jahren träumen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler davon, die quantenmechanischen Orbitale von Elektronen in Atomen, Molekülen und Festkörpern zu messen. Denn diese Orbitale bestimmen die chemischen und physikalischen Eigenschaften des Materials. Zwei Arbeitsgruppen um Ass.-Prof. Dr. Peter Puschnig und Ao.Univ.-Prof. Dr. Michael Ramsey am Institut für Physik an der Karl-Franzens-Universität Graz ist es nun gelungen, Elektronenorbitale von Kohlenwasserstoff-Molekülen auf einem Silbersubstrat sichtbar zu machen, indem sie Messungen an BESSY II mit ab inititio-Berechnungen kombiniert haben. Auch KollegInnen des deutschen „Forschungszentrums Jülich“ sind an der Arbeit beteiligt, die nun in der aktuellen Ausgabe der „Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS)“ publiziert worden ist.
In der Physik werden Elektronen nicht nur als Teilchen, sondern auch als Wellen beschrieben. In der Quantentheorie wird die Wellennatur mathematisch durch die räumliche Wellenfunktion, das Orbital, erfasst. „Orbitale beinhalten Informationen über die räumliche Verteilung der Elektronen bei einer bestimmten Energie. Sind sie bekannt, lassen sich alle relevanten Eigenschaften des Systems ableiten“, erklärt Puschnig. „Die Wellenfunktion selbst ist jedoch keine direkt beobachtbare Größe, die sich im Experiment bestimmen lässt.“ Deshalb waren die ForscherInnen überrascht, als sie kürzlich mithilfe eines experimentellen Aufbaus und eines mathematischen Tricks die vollständige Wellenfunktion inklusive deren Phasenbeziehung für eine Reihe von organischen Molekülen bestimmen konnten.
Vermessung von Orbitalen
Für ihre Untersuchungen verwendeten sie einen einfachen und unkonventionellen Zugang: In ihrem Versuchsaufbau bedienten sie sich des Photoeffekts und schossen mithilfe von ultraviolettem Licht die Elektronen förmlich aus den Molekülen heraus. Die anschließende Vermessung der Energie- und Winkelverteilung der Elektronen gab Aufschluss über deren Bindungsenergie und räumliche Verteilung im Molekül. Bei dieser Messmethode geht allerdings eine wichtige Information, die Phasenbeziehung, verloren.
Bei der Rekonstruktion dieser fehlenden Information kommt den PhysikerInnen etwas zugute, das mit den mathematischen Eigenschaften der „Fourier-Transformation“ zu tun hat: „Wenn man die räumliche Ausdehnung der Wellenfunktion kennt, die durch die Größe des Moleküls vorgegeben ist, so kann die fehlende Phase durch ein mathematisches Verfahren schrittweise rekonstruiert werden“, klärt der Doktorand Daniel Lüftner auf. Dass dieses Verfahren funktioniert, konnte am Beispiel von fünf Molekülorbitalen gezeigt werden. Diese rekonstruierten Orbitale werfen nicht nur ein neues Licht auf das theoretische Konzept von Orbitalen, sondern liefern wichtige Einblicke in das Verhalten von Elektronen an Grenzflächen zwischen Metallen und organischen Halbleitern.
Publikation: „Imaging the wave functions of adsorbed molecules“. PNAS, 2013, published online
- Batterieforschung mit dem HZB-RöntgenmikroskopUm die Kapazität von Lithiumbatterien weiter zu steigern, werden neue Kathodenmaterialien entwickelt. Mehrschichtige lithiumreiche Übergangsmetalloxide (LRTMO) ermöglichen eine besonders hohe Energiedichte. Mit jedem Ladezyklus wird jedoch ihre Kapazität geringer, was mit strukturellen und chemischen Veränderungen zusammenhängt. Mit Röntgenuntersuchungen an BESSY II hat nun ein Team aus chinesischen Forschungseinrichtungen diese Veränderungen erstmals experimentell mit höchster Präzision vermessen: Mit dem einzigartigen Röntgenmikroskop konnten sie morphologische und strukturelle Entwicklungen auf der Nanometerskala beobachten und dabei auch chemische Veränderungen aufklären.
- BESSY II: Neues Verfahren für bessere ThermokunststoffeUmweltfreundliche Thermoplaste aus nachwachsenden Rohstoffen lassen sich nach Gebrauch recyclen. Ihre Belastbarkeit lässt sich verbessern, indem man sie mit anderen Thermoplasten mischt. Um optimale Eigenschaften zu erzielen, kommt es jedoch auf die Grenzflächen in diesen Mischungen an. Ein Team der Technischen Universität Eindhoven in den Niederlanden hat nun an BESSY II untersucht, wie sich mit einem neuen Verfahren aus zwei Grundmaterialien thermoplastische „Blends“ mit hoher Grenzflächenfestigkeit herstellen lassen: Aufnahmen an der neuen Nanostation der IRIS-Beamline zeigten, dass sich dabei nanokristalline Schichten bilden, die die Leistungsfähigkeit des Materials erhöhen.
- Wasserstoff: Durchbruch bei Alkalischen Membran-ElektrolyseurenEinem Team aus Technischer Universität Berlin, Helmholtz-Zentrum Berlin, Institut für Mikrosystemtechnik der Universität Freiburg (IMTEK) und Siemens Energy ist es gelungen, eine hocheffiziente alkalische Membran-Elektrolyse Zelle erstmals im Labormaßstab in Betrieb zu nehmen. Das Besondere: Der Anodenkatalysator besteht dabei aus preisgünstigen Nickelverbindungen und nicht aus begrenzt verfügbaren Edelmetallen. An BESSY II konnte das Team die katalytischen Prozesse durch operando Messungen im Detail darstellen, ein Theorie Team (USA, Singapur) lieferte eine konsistente molekulare Beschreibung. In Freiburg wurden mit einem neuen Beschichtungsverfahren Kleinzellen gebaut und im Betrieb getestet. Die Ergebnisse sind im renommierten Fachjournal Nature Catalysis publiziert.