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Quantenphysik: Neue Messmethode macht Elektronendichte in Festkörpern direkt sichtbar

Erstmals Abbildung von Elektronen im Objekt möglich, hilfreiches Wissen für Gestaltung neuer Materialien / Publikation in Nature Physics

Der Übergang 3s→3d gemessen in NiO an der Ni M1 Kante. Gezeigt ist der Übergang für viele verschiedene Probenwinkel. Hier wurde die kubische NiO Probe einmal von [001] nach [101] gedreht und bei einer weiteren Messung von [001] nach [00-1], einmal im und einmal gegen den Uhrzeigersinn.

a, b) Integrierte Intensität der 3s→3d Übergänge in Abb.1 dargestellt in Polarkoordinaten. Die Messpunkte fallen genau auf die jeweiligen Projektionen des Ni2+ Orbitals [3A2 3d(x2-y2)3d(3z2-r2)]. c) dreidimensionale Darstellung des Ni2+ Orbitals (oder genauer: der Lochdichte) mit den entsprechenden Projektionen in a) und b).

Erstmal ist es Forscherinnen und Forschern gelungen, elektronische Orbitale in Kristallen sichtbar zu machen. Die sogenannten orbitalen Zustände beschreiben in der Quantenmechanik, wo sich die Elektronen eines Atoms, Moleküls oder Festkörpers wahrscheinlich im Raum aufhalten. Bislang konnte man diese Elektronendichten jedoch nicht mit letztendlicher Sicherheit darstellen. Die neue, methodisch wegweisende Arbeit ist eine Kooperation der Universität zu Köln (UzK), des Max-Planck-Instituts für Chemische Physik fester Stoffe (MPI-CPfS) in Dresden, der Universität Heidelberg und des Deutschen Elektronen-Synchrotrons DESY in Hamburg und wurde im Fachjournal „Nature Physics“ veröffentlicht.

Die Kenntnis der orbitalen Zustände ist grundlegend für das Verständnis von chemischen Bindungen und den einhergehenden physikalischen Eigenschaften. Versteht man, wie die komplexen Zusammenhänge funktionieren und wie Verbindungen von Elementarteilchen aufgebaut sind, wird es möglich, diese nachzubilden und beispielsweise neue Materialien mit spezifischen Eigenschaften zu designen.

Eine neue Methode, die die lokalen quantenmechanischen Objekte in Festkörpern direkt abbildet und sichtbar macht, haben Teams von Dr. Andrea Severing (II. Physikalischen Institut der Universität zu Köln), Prof. Liu Hao Tjeng (MPI-CPfS) und Prof. Maurits Haverkort (Universität Heidelberg) an einer Messstation am Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY konzipiert und getestet. Hierzu konstruierten die Forscherinnen und Forscher eine Messstation, mit der man lokale Elektronendichten (die orbitalen Zustände) ohne weitere mathematische Auswertungen direkt abbilden kann. Dies ist ihnen anhand von Nickel-Ionen (Ni2+) in Nickeloxid (NiO) gelungen.

Inhaltlicher Kontakt:        
Dr. Andrea Severing
II. Physikalisches Institut der Universität zu Köln
+49 221 470-2608
severingSpamProtectionph2.uni-koeln.de

Presse und Kommunikation:
Jan Voelkel
+49 221 470-2356
j.voelkelSpamProtectionverw.uni-koeln.de

Zur Publikation:
https://www.nature.com/articles/s41567-019-0471-2