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Atomphysik Quantenmikroskop schießt Bild der Elektronenbahn eines Wasserstoffatoms

Redakteur: Franz Graser

Ein Forscherteam unter Leitung von Aneta Stodolna am FOM Institute in Amsterdam hat erstmals Wasserstoffatome quasi unter ein Vergrößerungsglas gelegt. Damit können die Orbitalstrukturen der Elektronen erstmals sichtbar dargestellt werden.

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Mit einem neuartigen Quantenmikroskop wurde dieses Bild eines Wasserstoffatoms aufgenommen. Deutlich ist der blaue Ring zu sehen, der den Atomkern umgibt. Das ist die Bahn, auf der das Elektron den Kern umkreist.
Mit einem neuartigen Quantenmikroskop wurde dieses Bild eines Wasserstoffatoms aufgenommen. Deutlich ist der blaue Ring zu sehen, der den Atomkern umgibt. Das ist die Bahn, auf der das Elektron den Kern umkreist.
(Bild: American Physical Society/Alan Stonebraker)

Quantenmechanik ist ein intellektuell herausforderndes Forschungsgebiet – nicht zuletzt deshalb, weil es bisher abgesehen von Simulationen praktisch keine Möglichkeit gab, die Vorgänge in der Welt des Allerkleinsten sichtbar zu machen. Wissenschaftler konnten zwar mit Hilfe der Wellenfunktion den Quantenzustand von Teilchen und ihr Verhalten in Zeit und Raum beschreiben. Diese Wellenfunktion konnte allerdings bisher nie sichtbar gemacht werden.

Um diese Funktionen und damit die Orbitalstruktur der Elektronen im Wasserstoffatom sichtbar zu machen, wurde das Atom in einem statischen elektrischen Feld platziert und mit Laser-Impulsen beschossen, schreibt der amerikanische Wissenschafts-Blog io9.com. Dadurch wurden Elektronen frei und wanderten zu einer Mikrokanalplatte, die senkrecht zu dem elektrischen Feld platziert wurde und als Detektor diente.

Da die Elektronen eine Vielzahl von Bahnen beschreiben können, bis sie auf der Detektor-Oberfläche auftreffen, erhielten die Forscher eine Reihe von Interferenzmustern, die die Struktur der Wellenfunktion offenbarten. Eine elektrostatische Linse vergrößerte zudem die ausgesendete Elektronenwelle um das 20.000-fache. Die Versuchsanordnung diente somit quasi als Quantenmikroskop.

„Unser Experiment bestätigt einerseits eine Idee, die schon vor 30 Jahren vorgeschlagen wurde“, heißt es in einer Pressemitteilung des FOM Institute der Foundation for Fundamental Research on Matter der Niederlande: „Andererseits demonstriert es sehr schön die Feingliedrigkeit der Quantenmechanik und bietet einen fruchtbaren Nährboden für Arbeiten, in denen fundamentale Implikationen der Quantenmechanik weiter erforscht werden können.“

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