Regensburger Physiker beobachten, wie es sich Elektronen gemütlich machen

Sie sind die Grundbausteine der uns umgebenden Materie – Atome und Moleküle. Die Eigenschaften der Materie sind oftmals jedoch nicht durch diese Bausteine selbst gegeben, sondern vielmehr durch deren Wechselwirkungen untereinander, welche durch ihre äußeren Elektronenhüllen bestimmt sind.

Viele chemische Prozesse basieren auf dem sogenannten Elektronentransfer, dem Austausch von Elektronen zwischen Atomen und Molekülen.

Atome und Moleküle sind unvorstellbar klein, so dass die direkte Abbildung dieser elementaren Bausteine und deren Wechselwirkung für lange Zeit unmöglich schien.

Die Abbildung einzelner Atome wurde vor mehreren Jahrzenten dank der Erfindung raffinierter Mikroskopieverfahren möglich. Diese basieren nicht auf Optik, stattdessen wird das Objekt mit einer atomar feinen Sensorspitze abgetastet.

Damit ist man in der Lage, Materie bis auf die Größenordnung eines Ångström, den zehnmillionsten Teil eines Millimeters, abzubilden. Eines dieser Mikroskopieverfahren ist die Rastertunnelmikroskopie, bei welcher durch Strommessung die Elektronenhülle von Materie abgebildet werden kann.

Mit dieser Art von Mikroskopie ist es möglich, die Elektronenwolken von Atomen und Molekülen, welche auch Elektronenorbitale genannt werden, zu untersuchen.

Ein weiteres Mikroskopieverfahren ist die Rasterkraftmikroskopie, welche auf inter-atomaren Kräften basiert und in der Lage ist, einzelne Bindungen zwischen benachbarten Atomen abzubilden. Seit etwa zehn Jahren erhält man so faszinierende Bilder der chemischen Struktur einzelner Moleküle.

Die charakteristischen Eigenschaften der Elektronenorbitale sind entscheidend für praktisch alle chemischen Reaktionen, aber umgekehrt führen chemische Reaktionen auch zu dramatischen Veränderungen der Form der Orbitale. Bislang konnte diese Rückwirkung auf die Elektronenhülle – wenn Atome und Moleküle Ladungen mit ihren Nachbarn austauschen – nicht sichtbar gemacht werden.

Da Rastertunnelmikroskopie auf der Messung von Strömen basiert, benötigt sie eine leitende Unterlage. Diese lässt allerdings nur einen einzelnen stabilen Ladungszustand für ein Molekül zu. Zusätzliche Ladung würde sofort in die darunterliegende leitende Unterlage abfließen, was die mikroskopische Beobachtung des Effekts des Elektronentransfers auf die Molekülorbitale verhindert.

Man muss also Moleküle auf einer elektrisch isolierenden Unterlage untersuchen, wenn man unterschiedliche Ladungszustände studieren möchte. Dies ist prinzipiell mit der Rasterkraftmikroskopie möglich, allerdings kann dieser Typ von Mikroskopie nicht zur Messung der äußeren Elektronenhülle verwendet werden.

An der Universität Regensburg konnte nun erstmals die Rückwirkung des Elektronentransfers auf die Elektronenorbitale in Bildern festgehalten werden. Dieser Durchbruch ist einem Team internationaler Wissenschaftler um den Experimentalphysiker Professor Dr. Jascha Repp gelungen. Die Forscher kombinierten Prinzipien der Rastertunnel- und der Rasterkraftmikroskopie und entwickelten damit eine neuartige Variante.

Anstelle des üblichen Gleichstroms bei der konventionellen Rastertunnelmikroskopie schicken sie in ihrem Versuchsaufbau einen extrem schwachen Wechselstrom zwischen der atomar fein leitenden Spitze und dem zu untersuchenden Molekül. Der Wechselstrom besteht aus nur einem einzigen Elektron, das dazu gebracht wird, zwischen der Sensorspitze und dem Molekül hin- und herzuspringen.

Auf diese Weise fließt keinerlei gerichteter Strom im Mikroskop, das daher auch keine leitende Unterlage für das Molekül benötigt. Dies wiederum erlaubt es den Forschern, das Molekül in jeden gewünschten Ladungszustand zu versetzen, d. h. es ist möglich, das Molekül dazu zu bringen, entweder Elektronen abzugeben oder aufzunehmen – so wie bei einer chemischen Reaktion.

Dabei konnten Sie beobachten, dass ein zusätzliches Elektron seine Verteilung im Molekül ändert, während es sich im Molekül ausbreitet – das Elektron macht es sich gewissermaßen auf dem Molekül gemütlich.

Mit dieser neuen Methode gelang es den Wissenschaftlern so zum ersten Mal, unmittelbare Abbildungen der Veränderungen der Elektronenhülle, welche bei der Aufladung von Molekülen auftreten, zu erhalten – und dies auf der Einzelmolekülebene. Diese neuartigen mikroskopischen Einblicke in die atomaren Details des Elektronentransfers auf der Einzelorbitalebene werfen ein völlig neues Licht auf unser Verständnis von Abläufen im Bereich wichtiger chemischer Reaktionen, wie z. B. Photosynthese, Verbrennung und Korrosion.

Prof. Dr. Jascha Repp
Professur für Experimentelle und Angewandte Physik
Universität Regensburg
Tel.: 0941 943-4201
E-Mail: jascha.repp@ur.de

Laerte L. Patera, Fabian Queck, Philipp Scheuerer and Jascha Repp, “Mapping orbital changes upon electron transfer with tunnelling microscopy on insulators”, Nature (2019).
DOI: 10.1038/s41586-019-0910-3