Abbildung der Quantenbewegung von Elektronen mit Licht

Seit Jahrzehnten untersuchen Physiker, wie sich ein Elektron an ein Proton binden sollte, das einfachste Atomsystem. Die faszinierenden Muster von Wasserstofforbitalen, die sich auf verschiedenen Energieniveaus bilden, sind statische Objekte, die durch detaillierte Computermodelle berechnet wurden. Sie sind Momentaufnahmen von Wasserstoffatomen, die in der Zeit eingefroren sind.

Die fortschrittlichsten Computermodelle können aber auch berechnen, wie Wasserstoffatome aussehen, wenn sie von einem Zustand in einen anderen wechseln, wie die Orbitale ihre Form ändern, wie sie sich verbinden und überlagern. Die Ergebnisse sind Videos von Wasserstofforbitalen in Bewegung-Quanten-Bewegung.

Aber das ist alles nur Theorie. Niemand weiß, wie Wasserstoffatome in der Praxis aussehen, denn es ist unmöglich, Elektronen mit Licht zu fotografieren, geschweige denn in Aktion zu filmen. Richtig?



Nicht ganz. In den letzten Jahren haben Physiker gelernt, Lichtimpulse zu erzeugen, die klein und kurz genug sind, um die Struktur eines Wasserstoffatoms zu zerlegen. Diese Pulse bestehen aus Röntgenstrahlen in Paketen von nur wenigen Wellenlängen.

In den nächsten Jahren sollte diese Technik in der Lage sein, Filme mit einer Auflösung von etwa einem Angström und einer Bildrate eines Bildes pro Femtosekunde zu machen. Das ist mehr als gut genug, um die Bewegung von Wasserstofforbitalen zu zeigen.

Wie werden diese Bewegungen also aussehen? Physiker verfügen über Standardtechniken zur Berechnung der Art und Weise, wie Röntgenstrahlen an Atomen gestreut werden. Die Idee dabei ist, dass sie mit einem herkömmlichen Laserpuls ein Ensemble von Wasserstoffatomen in einem bestimmten Zustand oder einer Kombination von Zuständen herstellen.

Kurze Zeit später zappen sie die Atome dann mit Röntgenpaketen und messen deren Streuung. Dies ergibt eine Momentaufnahme des Wasserstoffatoms in diesem Moment.

Um einen Film aufzubauen, nehmen sie ein weiteres Bild auf, lassen diesmal jedoch etwas mehr Zeit zwischen dem Vorbereitungspuls und dem Bildgebungspuls. Und so weiter. Dies erzeugt einen Film der Quantenbewegung von Elektronen in der Umlaufbahn um ein Proton.

Das Problem ist natürlich, dass ein Paket von Röntgenstrahlen unweigerlich die Elektronenorbitale verändert und die Form des Wasserstoffatoms während der Abbildung verzerrt. Es ist diese Verzerrung, die die Quantenbildgebung so problematisch macht.

Tatsächlich ist es so komplex, dass Physiker es einfach ignoriert haben; oder haben sich zumindest eingeredet, dass es vernachlässigbar ist. Die einzigen Berechnungen, die sie jemals zur Modellierung der Quantenbewegung von Elektronen durchgeführt haben, gehen davon aus, dass die Röntgenstrahlen das Verhalten der Elektronen in keiner Weise ändern.

Heute ändert sich das dank der Arbeit von Gopal Dixit vom Center for Free-Electron Laser Science bei DESY in Hamburg und einigen Kumpels.

Diese Jungs haben herausgefunden, wie Röntgenstrahlen die Form eines Wasserstoffatoms beeinflussen sollten und haben berechnet, wie ein Video der resultierenden Quantenbewegung von Elektronen aussehen würde.

Die obige Abbildung zeigt die Ergebnisse als eine Reihe von Frames. Die mittlere Reihe zeigt die Veränderung der Elektronenorbitale bei einer Überlagerung von 3d- und 4f-Orbitalen. Die untere Reihe zeigt die Vorhersage nach dem bestehenden Ansatz – und eher uninteressant ist sie auch.

Die obere Reihe zeigt dagegen, wie die Bilder aussehen würden, wenn Röntgenstrahlen die Orbitale verzerren. Sie zeigen deutlich die Art von Asymmetrie, die die Röntgenbildgebung mit sich bringen würde, etwas, das der bestehende Ansatz einfach nicht zulässt.

Das ist wichtig, denn diese Art von Videos sollte in den kommenden Monaten und Jahren möglich sein. Zu wissen, wie man sie interpretiert, wird entscheidend sein.

Und Wasserstoffatome werden nur der Anfang sein. Es wird nicht lange dauern, bis wir Videos von der Quantenbewegung von Elektronen in komplexeren Molekülen haben, vielleicht sogar in Biomolekülen selbst. Wenn das passiert, werden wir die Quantenbewegung des Lebens selbst beobachten.

Ref: arxiv.org/abs/1207.4565 : Elektronische Quantenbewegung mit Licht abbilden

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