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Quantenmechanik: Auch Elektronen mit wenig Energie tunneln

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Eine bedeutsame Manifestation der Quantenmechanik ist der Tunneleffekt. Er bewirkt das Herauslösen von Elektronen oder anderen geladenen Partikeln wie Alphateilchen aus Atomen, obwohl sie durch die elektrische Anziehungskraft eigentlich fest gebunden sind. Physikern ist jetzt der Nachweis gelungen, dass nicht nur die am wenigsten gebundenen Elektronen der äußersten Schalen tunneln, sondern auch solche, die energetisch tiefer liegen.

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Tunneln aus der Tiefe | Durch Beschuss mit zirkular polarisiertem infrarotem Laserlicht wird das Coulomb-Potential (braun) eines HCl-Moleküls (grün/rot) nach rechts hin abgesenkt. Dadurch können nicht nur Elektronen aus dem äußersten Orbital (rot/blau) tunneln, sondern auch aus dem niedriger gelegenen.
Hiroshi Akagi vom Joint Laboratory for Attosecond Science der University of Ottawa und dem National Research Council sowie der Japan Atomic Energy Agency in Kyoto leitete ein internationales Team, das die Coulomb-Potenziale von Chlorwasserstoffmolekülen (HCl) durch einen genau abgestimmten Laserpuls deformierte. Dadurch wurde die elektrostatische Bindung von positiv geladenem Kern und den negativen Elektronen reduziert und diese während der Dauer der jeweiligen Experimente zum schnelleren Tunneln angeregt.

Chlorwasserstoff wurde gewählt, weil sich hier die Beiträge der Elektronen aus verschiedenen Molekülorbitalen besonders gut unterscheiden lassen. Die Forscher berechneten, dass bis zu zehn Prozent der Elektronen nicht aus dem äußersten Molekülorbital stammen, sondern von dem nächst niedrigeren. Dieser Umstand muss somit bei bestimmten Anwendungen der Rastertunnelmikroskopie (RTM) berücksichtig werden.

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Molekulare Rastertunnelmikroskopie | Je nach Orientierung eines Moleküls wie HCl (grün/rot) kann durch Messung des Tunnelstroms (weiß) zur Spitze eines RT-Mikroskops (rechts) die Geometrie der Molekülorbitale vermessen werden. Hier bei HCl ist das zweitniedrigste Orbital gezeigt (blau/rot).
Durch Beschuss von Molekülen mit Laserpulsen aus verschiedenen Richtungen und anschließender Messung des Tunnelstroms – mit der so genannten Molekularen RTM – eröffnet sich demnach die Möglichkeit, die Form ihrer Elektronenorbitale untersuchen zu können. Reinhard Dörner von der Goethe-Universität Frankfurt am Main, Mitglied der Forschergruppe, erklärt: "Bei Elektronenhüllen dominiert oft die Vorstellung diffuser Wolken, in der alle Elektronen gleich sind. Dieses Bild stimmt so nicht, wie das Experiment zeigt. Wenn man mittels Tunneleffekt diese Wolke in den tieferen Schichten 'anbohrt', zeigt sich, dass auch die tiefer gelegenen Orbitale eine reale eigenständige geometrische Struktur haben." (dre)

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  • Quellen
Akagi, H. et al.: Laser Tunnel Ionization from Multiple Orbitals in HCl. In: Science 325, 1364–1367, 2009.

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