Elektronenorbitale im Experiment

Elektronen besitzen keinen festen Aufenthaltsort. Das ist eine zentrale Erkenntnis der Quantenmechanik. Die mathematische Wellenfunktion beschreibt das Teilchen stattdessen vollständig. Einem Team der Universität Göttingen gelang nun die dreidimensionale Abbildung molekularer Wellenfunktionen. Hierfür nutzten die Forschenden eine kompakte, labortaugliche Röntgenlichtquelle.

Molekülorbitale und analytische Zugänglichkeit

„Die Wellenfunktion ist eine fundamentale Größe der Quantenmechanik, lässt sich aber nicht direkt messen“, erklärt Prof. Dr. Stefan Mathias. Molekülorbitale bestimmen die Lichtabsorption und das chemische Reaktionsverhalten maßgeblich. Das Team kombinierte hochpräzise Photoelektronenspektroskopie mit leistungsfähigen Rechnusalgorithmen. Die Photonen lösen Elektronen aus, deren Impulsverteilung Rückschlüsse auf die Wellenfunktion erlaubt. Das Ergebnis zeigt ein vollständiges 3D-Bild des Molekülorbitals. Die Auflösung liegt unterhalb des Kohlenstoff-Atomabstands. Solche Messungen erforderten bislang zeitintensive Experimente an großen Synchrotronanlagen.

Methodische Synergie aus Algorithmen und Kurzpuls-Röntgenstrahlung

„Wir führen zwei neue Konzepte ein: Erstens liefert unser von Grund auf neu entwickelter Algorithmus zuverlässige 3D-Bilder aus deutlich weniger Messdaten. Zweitens beruht das Experiment auf einer leistungsstarken Lichtquelle im Labormaßstab, die ultrakurze Pulse weicher Röntgenstrahlung erzeugt“, erklärt Dr. Matthijs Jansen. „Es ist die Kombination beider Methoden, die diese Ergebnisse so beeindruckend macht.“

Femtosekunden-Dynamik chemischer Primärprozesse

Dr. Wiebke Bennecke fügt hinzu: „Damit könnte stroboskopische Videografie Wirklichkeit werden: Wir würden nicht nur die Form von Wellenfunktionen sehen, sondern auch, wie sie sich verändert – mit einer Zeitauflösung von Femtosekunden, also Billiardstel Sekunden. So lernen wir, wie ein Molekül auf optische, elektronische oder chemische Reize reagiert, und finden neue Wege, diese Prozesse auf atomarer Skala zu steuern.“

Quelle

Universität Göttingen (08/2026)