Rekonstruktion atomarer Elektronendichten

PTB-Forscher haben das Verfahren und die mathematischen Methoden zur Darstellung der räumlichen Verteilung der Elektronen im Atom weiterentwickelt

Rekonstruierte Elektronenverteilungen der Zustände 2s und 2p von Neon © PTB

Die Rekonstruktion der räumlichen Elektronendichte atomarer Systeme ermöglicht nicht nur neue Einblicke in die Quantenmechanik, sondern auch Fortschritte in Bereichen wie Materialwissenschaft und funktionale Oberflächen. Beim Photoeffekt werden durch Wechselwirkung mit Licht Photoelektronen emittiert. Deren gemessene Energie- und Richtungsverteilung kann als eine mathematische Abbildung der räumlichen Verteilung der Elektronen im Atom dargestellt werden. Mit komplexen mathematischen Methoden kann somit die räumliche Verteilung der Elektronendichte aus der Energie- und Richtungsverteilung der Photoelektronen berechnet werden.

Mithilfe von Synchrotronstrahlung werden über den Photoeffekt Elektronen ausgelöst und gemessen und daraus die molekularen Elektronendichten rekonstruiert. Solche Rekonstruktionen waren bisher nur bei Molekülen möglich, die geordnet auf Kristalloberflächen präpariert wurden, sodass sich die mathematische Methode aus Symmetriegründen vereinfachen lässt. Diese Vereinfachung ließ jedoch nur eine Rekonstruktion auf einer relativen Skala zu und zeigte Abweichungen zu Messdaten.

In einer jetzt veröffentlichten Arbeit wurden das Verfahren und die mathematischen Methoden erstmals auf freie Edelgasatome angepasst und eine Rekonstruktion auf absoluter Skala durchgeführt. Für Edelgasatome liegen hochpräzise Messdaten vor, an denen die neu gewonnen Ergebnisse verifiziert wurden. Die Daten und Erkenntnisse der Edelgasatome können zukünftig als Referenz für den Rekonstruktionsprozess der Elektronendichten von komplexeren Molekülen auf Oberflächen dienen, um diese schließlich auch auf einer absoluten Skala zu berechnen und die mathematischen Modelle zu verbessern.

Diese Arbeit ist im Rahmen einer Kooperation mit dem Forschungszentrum Jülich und der Universität Graz entstanden und wurde durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert.

Veröffentlichung:

Phys. Rev. A 109, 012814 (2024): Quantitative reconstruction of atomic orbital densities of neon from partial cross sections
Hans Kirschner, Alexander Gottwald, Victor Soltwisch, Mathias Richter, Peter Puschnig, and Simon Moser
DOI:10.1103/PhysRevA.109.012814

Kontakt:

Phy­si­ka­lisch-Tech­ni­sche Bun­des­an­stalt
Abteilung 7 Temperatur und Synchrotronstrahlung

Hans Kirschner
Arbeitsgruppe 7.13 UV- und VUV-Radiometrie
hans.kirschner(at)ptb.de

Pressemitteilung PTB vom 12.02.2024