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3D-Aufnahme von Molekülorbitalen Forscher bilden Wellenfunktion eines Moleküls dreidimensional ab

Quelle: Pressemitteilung Universität Göttingen 2 min Lesedauer

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Göttinger Forscher haben detaillierte 3D-Aufnahmen von Molekülorbitalen gemacht. Statt an einem großen Synchrotron nutzten sie Photoelektronenspektroskopie und Computeralgorithmen für ihre Messungen. Das neue Verfahren bietet Einblicke in die Quantenmechanik – und das mit vergleichsweise kleinem apparativen Aufwand.

Illustration des Verfahrens, womit die Elektronenorbitalen dreidimensional abgebildet wurden. v.l.: Auslösung eines Elektrons aus dem Molekül; der dreidimensionale Rohdatensatz; Transformation der Daten mithilfe eines Computeralgorithmus; und die dreidimensionale Abbildung.(Bild: Lukas Kroll)
Illustration des Verfahrens, womit die Elektronenorbitalen dreidimensional abgebildet wurden. v.l.: Auslösung eines Elektrons aus dem Molekül; der dreidimensionale Rohdatensatz; Transformation der Daten mithilfe eines Computeralgorithmus; und die dreidimensionale Abbildung.
(Bild: Lukas Kroll)

Elektronen lassen sich nicht auf einen einzigen Ort festlegen. Das ist eine der zentralen Erkenntnisse der Quantenmechanik. An die Stelle des Ortes tritt die Wellenfunktion: eine mathematische Größe, die alle wichtigen Informationen über das Teilchen enthält. Einem interdisziplinären Forschungsteam der Universität Göttingen ist es nun gelungen, die Wellenfunktion eines nanometergroßen organischen Moleküls dreidimensional abzubilden – und das mit einer Röntgenlichtquelle, die auf einen Labortisch passt.

Messung gewährt Blick in die Quantenwelt

Wissenschaftliche Abbildung einer Wellenfunktion in 3D. Es betrifft die höchst-energetisch besetzte Orbitale von PTCDA, ein Molekül das aufgrund seiner starken Wechselwirkung mit Licht zur Herstellung roter Farbe genutzt wird. In der Mitte ist eine 3D-Darstellung zu sehen, die Seitenansichten zeigen Schnitte durch das Orbital des Moleküls.(Bild: Fig. 3: 3D orbital imaging of the PTCDA HOMO using only seven photon energies /Bennecke, W. et al. / CC BY 4.0)
Wissenschaftliche Abbildung einer Wellenfunktion in 3D. Es betrifft die höchst-energetisch besetzte Orbitale von PTCDA, ein Molekül das aufgrund seiner starken Wechselwirkung mit Licht zur Herstellung roter Farbe genutzt wird. In der Mitte ist eine 3D-Darstellung zu sehen, die Seitenansichten zeigen Schnitte durch das Orbital des Moleküls.
(Bild: Fig. 3: 3D orbital imaging of the PTCDA HOMO using only seven photon energies /Bennecke, W. et al. / CC BY 4.0)

„Die Wellenfunktion ist eine fundamentale Größe der Quantenmechanik, lässt sich aber nicht direkt messen“, erklärt Prof. Dr. Stefan Mathias, Leiter der Forschungsgruppe „Ultraschnelle Dynamik in Quantenmaterialien“ der Universität Göttingen. Besonders interessant sind die Wellenfunktionen der Elektronen in Molekülen, die so genannten Molekülorbitale: Sie bestimmen, wie ein Molekül Licht aufnimmt oder chemische Reaktionen eingeht.

Um die Molekülorbitale sichtbar zu machen, kombinierte das Team hochpräzise Photoelektronenspektroskopie – dabei löst Licht Elektronen aus dem Material, deren Impuls Rückschlüsse auf die Wellenfunktion erlaubt – mit leistungsfähigen Computeralgorithmen. Das Ergebnis: ein vollständiges 3D-Bild des Molekülorbitals, mit einer Auflösung feiner als der Abstand zweier Kohlenstoffatome. Bisher waren solche Aufnahmen nur an großen Beschleunigeranlagen, (Synchrotronen) möglich, und selbst dort nur mit erheblichem Zeitaufwand.

Datensparsame 3D-Aufnahmen

„Wir führen zwei neue Konzepte ein“, erklärt Dr. Matthijs Jansen, Mitglied der Forschungsgruppe „Ultraschnelle Dynamik in Quantenmaterialien“ und einer der Leiter der Studie „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. Es ist die Kombination beider Methoden, die diese Ergebnisse so beeindruckend macht.“

Erstautorin Dr. Wiebke Bennecke von derselben Forschungsgruppe 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.“

Originalpublikation: Bennecke, W. et al.: Table-top three-dimensional photoemission orbital tomography with a femtosecond extreme ultraviolet light source, Nature Communications 17, Article number: 5457 (2026); DOI: 10.1038/s41467-026-74308-1

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