Schwerpunkte

Durchbruch für die Chemie

Elektronen in Zeit und Raum verfolgen

19. Februar 2021, 08:33 Uhr   |  Heinz Arnold

Elektronen in Zeit und Raum verfolgen
© Philipps-Universität Marburg / Till Schürmann

Die Wissenschaftler verfolgten die Orbital-Tomogramme mit ultrahoher Auflösung durch die Zeit. Die Elektronen in den Molekülen wurden dafür mit Femtosekunden-Laserpulsen in ein anderes Orbital angeregt.

Erstmals konnten Wissenschaftler Elektronen in einer chemischen Reaktion sowohl in der Zeit als auch im Raum verfolgen. Unzählige Anwendungen tun sich auf.

So ließen sich beispielsweise die Grenzflächen und Nanostrukturen und die darauf beruhenden Prozessoren, Sensoren, Displays, organischen Solarzellen, Katalysatoren optimieren. »Möglicherweise ergeben sich sogar für Anwendungen und Technologien, an die wir bisher noch gar nicht gedacht haben«, sagt Ulrich Höfer, Professor für Experimentalphysik an der Philipps-Universität Marburg und Sprecher des Sonderforschungsbereichs 1083 der Deutschen Forschungsgemeinschaft.

»Es ist schon seit langem ein Traum der Physikalischen Chemie, die Elektronen in einer chemischen Reaktion in Zeit und Raum genau zu verfolgen«, sagt Professor Stefan Tautz, Leiter des Instituts für Quantum Nanoscience am Forschungszentrum Jülich.

Bisher konnten die Elektronen entweder nur im Raum oder nur in der Zeit verfolgt werden. Die Wissenschaftler aus Jülich, Marburg und Graz haben nun beides verbunden: Sie haben erstmals Elektronen beim Transfer durch eine Grenzfläche zwischen einer Molekülschicht und einem Metall in Raum und Zeit beobachtet.

Solche Grenzflächen werden im Sonderforschungsbereich 1083 der Deutschen Forschungsgemeinschaft an der Universität Marburg erforscht, in dessen Rahmen die Experimente durchgeführt wurden. »Grenzflächen scheinen zunächst nichts weiter als das Nebeneinander zweier Schichten – doch sie sind der Ort, an dem sich die Funktionen der Materialien überhaupt erst manifestieren. Ihnen kommt deshalb eine überragende technologische Bedeutung zu«, erklärt Ulrich Höfer, Professor für Experimentalphysik an der Philipps-Universität Marburg und Sprecher des Sonderforschungsbereichs 1083 der Deutschen Forschungsgemeinschaft. In organischen Solarzellen etwa erreicht man durch die Kombination verschiedener Materialien an einer Grenzfläche, dass die durch das eingestrahlte Licht angeregten Zustände besser aufgespalten werden und somit Strom fließt. Auch in OLEDs spielen Grenzflächen eine wichtige Rolle.

Orbital-Tomogramme mit ultrahoher Auflösung durch die Zeit verfolgen

Der experimentelle Ansatz der Wissenschaftler basiert auf einem erst vor wenigen Jahren erfolgten Durchbruch in der Spektroskopie von Molekülen: der Photoemissions-Orbital-Tomographie, die auf dem Photoeffekt beruht. »Dabei wird eine Molekülschicht auf einer Metalloberfläche mit Photonen, also Lichtteilchen, beschossen, woraufhin sich die energetisch angeregten Elektronen herauslösen«, erklärt Professor Peter Puschnig von der Karl-Franzens-Universität Graz. »Sie fliegen danach aber nicht zufällig in den Raum hinaus, sondern lassen aufgrund ihrer Winkel- und Energieverteilung Rückschlüsse auf die räumliche Verteilung der Elektronen in den Molekülorbitalen zu.«

»Der entscheidende Erfolg unserer Arbeit ist, dass wir die Orbital-Tomogramme mit ultrahoher Auflösung durch die Zeit verfolgen«, sagt Dr. Robert Wallauer, Gruppenleiter und Nachwuchswissenschaftler an der Universität Marburg.

Ultrakurze Laserpulse plus neues Impulsmikroskop

Dazu verwendeten die Wissenschaftler nicht nur einen speziellen Laser mit ultrakurzen Pulsen im Femtosekundenbereich, mit dem sie die Elektronen in den Molekülen anregten, sondern auch ein neuartiges Impulsmikroskop, mit dem sie gleichzeitig Richtung und Energie der herausgelösten Elektronen mit hoher Empfindlichkeit messen konnten. Eine Femtosekunde beträgt millionsten Teil einer Milliardstel Sekunde. Derartig kurze Pulse eignen sich wie eine Art Stroboskop-Licht zur Zerlegung von schnellen Vorgängen in einzelne Bilder und erlaubten es den Forschern, den Elektronentransfer wie in Zeitlupe zu verfolgen.

»Dies ermöglichte es uns, Elektronenanregungspfade quasi in Echtzeit räumlich zu verfolgen«, erklärt Professor Stefan Tautz. »In unserem Experiment wird ein Elektron mit einem ersten Laserpuls von seinem Ausgangszustand zunächst in ein unbesetztes Molekülorbital angeregt, bevor es schließlich durch einen zweiten Laserimpuls den Detektor erreicht. Nicht nur konnten wir den zeitlichen Verlauf dieses Prozesses genau beobachten, sondern mit Hilfe der Tomogramme auch klar nachverfolgen, woher die Elektronen kamen.«

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