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Quantensprung im Film Spezialmikroskop filmt Elektronenbewegung im Molekül

Quelle: Pressemitteilung

Schnell wie ein Elektron, und präzise aufs Atom genau – das ist eine neue Messtechnik von Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für Festkörperforschung. Sie haben Rastertunnelmikroskopie und Laserspektroskopie kombiniert, um die Dynamik von Elektronen in Molekülen aufzuzeichnen.

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Lichtbahnen, aufgenommen bei Nacht (Symbolbild) – Während hier eine gute Kamera und längere Belichtungszeit ausreichen, sind für die Aufnahme von Elektronen hochmoderne Mikroskopietechniken nötig.
Lichtbahnen, aufgenommen bei Nacht (Symbolbild) – Während hier eine gute Kamera und längere Belichtungszeit ausreichen, sind für die Aufnahme von Elektronen hochmoderne Mikroskopietechniken nötig.
(Bild: gemeinfrei, Tyler Lastovich / Unsplash)

Stuttgart – Atome galten als die „Unteilbaren“ – die kleinsten Einheiten des Mikrokosmos. Längst wissen wir, dass das nicht stimmt. In der Chemie nutzen Wissenschaftler schließlich v. a. die Eigenschaften der Elektronen, um Atome und deren Verbindungen zu charakterisieren, neue Moleküle zu schaffen oder durch Reaktionen Wärme und Licht zu erzeugen. Um derartige Prozesse zu verstehen, ist es unerlässlich, die Elektronendynamik in Molekülen abzubilden. Sie spielen bei der Entwicklung von Solarzellen oder von neuartigen elektronischen Komponenten ebenso eine Rolle wie bei der biologischen Photosynthese.

Bisherige Abbildungsmethoden liefern jedoch z. T. nur schwer reproduzierbare oder sogar widersprüchliche Aufnahmen. Das liegt daran, dass sie die schnellen Elektronen nicht direkt abbilden können, sondern stets auf Techniken zurückgreifen, mit denen sich das Verhalten der Elektronen lediglich indirekt rekonstruieren lässt.

Kompromisse beim Messen

Moderne Mikroskopieverfahren bieten zwar schier unbegrenzte Möglichkeiten – doch sie sind immer auch mit gewissen Kompromissen verbunden. So erlaubt die Rastertunnelmikroskopie mit einem Auflösungsvermögen von einem Zehntel Pikometer extrem scharfe Bilder von einzelnen Atomen zu machen. Dafür ist sie langsam und kann die Elektronen-Dynamik in einem Material nicht einfangen. Optische Methoden mit ultraschnellen Laserpulsen hingegen können Elektronenbewegungen im Attosekundenbereich dingfest machen, liefern aber räumlich nur grob verwaschene Bilder – weit jenseits der atomaren Auflösung, die mit Rastertunnelmikroskopen möglich ist. Die typischen Elektronendynamiken und Laserpulse liegen im Bereich einiger hundert Attosekunden.

Kombination vereint Stärken der Methoden

Ein Team vom Max-Planck-Institut für Festkörperforschung hat nun einen Weg gefunden, die alterprobte Rastertunnelmikroskopie mit modernster Lasertechnik zu koppeln. „Wir haben schon seit einigen Jahren daran gearbeitet, diese beiden Techniken so zu verbinden, dass jede ihre Stärken ausspielen kann, ohne ihre Schwächen einzubringen“, sagt Manish Garg, Leiter einer Forschungsgruppe am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung.

Bei einem Rastertunnelmikroskop fährt eine hauchfeine, atomar dünne Spitze ganz knapp über einer leitenden Oberfläche entlang. Dank des quantenphysikalischen Tunneleffekts können Elektronen zwischen der Oberfläche und der Mikroskopspitze fließen, auch wenn kein direkter Kontakt besteht. So lässt sich etwa ein Molekül auf einer Oberfläche schrittweise Atom für Atom abrastern.

Die neue Mikroskopietechnik moduliert nun mithilfe von Laserpulsen den Tunnelstrom durch gezielte Anregung der Elektronen im Material. „Das muss extrem schnell geschehen, da sonst etwa thermische Effekte zum Tragen kommen und die Messungen unmöglich machen“, erklärt Alberto Martin-Jimenez, der an den Experimenten maßgeblich beteiligt war. Die nötigen ultraschnellen Laserpulse im Attosekundenbereich gibt es nicht von der Stange zu kaufen. Aber dank der rasanten Entwicklung der Lasertechnik in den letzten Jahren ist es den Forschern nun gelungen, genau die passenden Pulse zu erzeugen. Vor zwei Jahren haben die Max-Planck-Forscher erstmals die Funktion eines solchen atomaren Quantenmikroskops demonstriert.

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Dynamik der Elektronen abbilden

Jetzt gelang ihnen mit diesem weltweit einzigartigen Instrument die direkte Beobachtung der Elektronenbewegung in Molekülen. Mithilfe der ultrakurzen Pulse ließen sich die Elektronen im Molekül zu Sprüngen zwischen den verschiedenen Orbitalen anregen. Das machte sich im Tunnelstrom bemerkbar. Der Clou der neuen Technik bestand darin, in schneller Abfolge jeweils zwei minimal zeitversetzte Pulse mit exaktem zeitlichem Abstand hintereinander auf das zu untersuchende Molekül zu schießen und es dabei abzurastern. Wenn man diese Prozedur mehrfach wiederholt und dabei den zeitlichen Abstand zwischen den Pulsen variiert, dann erhält man eine Bildserie, die das Verhalten der Elektronen in diesem Molekül mit atomarer Genauigkeit wiedergibt. Die schnellen Laserpulse liefern also die Informationen über die Elektronendynamik, während das Rastertunnelmikroskop präzise das Molekül abrastert.

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„Damit konnten wir erstmals die Dynamik der Elektronen in Molekülen direkt abbilden, wie sie von einem Orbital zu einem anderen springen“, sagt Gruppenleiter Garg. „Diese Grundlagentechnik liefert ganz neue Möglichkeiten, um quantenmechanische Prozesse wie den Ladungstransfer in einzelnen Molekülen direkt zu beobachten und damit besser zu verstehen.“ Die möglichen Einsatzgebiete für ein solches Quantenmikroskop sind noch kaum abzusehen. Besonders bei Ladungstransferprozessen, wie sie sowohl bei vielen biophysikalischen Reaktionen als auch bei Solarzellen und Transistoren eine entscheidende Rolle spielen, könnte es entscheidende neue Einblicke liefern.

Originalpublikation: Manish Garg, Alberto Martin-Jimenez, M. Pisarra, Y. Luo, F. Martín und Klaus Kern: Real-space subfemtosecond imaging of quantum electronic coherences in molecules, Nature Photonics, 23. Dezember 2021; DOI: 10.1038/s41566-021-00929-1

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