Erstes Bild der Wasserstofforbitalstruktur im Labor aufgenommen

Das obige Bild ist eine schöne Abkehr von einem wissenschaftlichen Paradigma. Es ist eine Aufzeichnung, die aus der direkten Beobachtung eines Wasserstoffatoms stammt. Um dieses Kunststück zu vollbringen, verwendeten die an dem Projekt beteiligten Forscher ein neues Gerät, das sich Quantenmikroskop nennt und - wie der Name schon sagt - einen flüchtigen Blick auf das verschwommene Quantenreich erlaubt.

Um die "Wissenschaftlichkeit" der Neuheit ein wenig zu übersetzen, bedeutet "Orbitalstruktur" den Raum, den der Atomkern und seine Elektronen - oder "Elektronen" - unter besonderer Berücksichtigung von Wasserstoff einnehmen. Was die wissenschaftliche Leistung des Bildes, das diesen Text eröffnet, möglich machte, antwortet auch auf den wissenschaftlichen Jargon: Es ist die „Wellenfunktion“.

Es ist eine mathematische Funktion, mit der versucht wird, das wunderbare Quantenchaos zu verstehen. Die so erhaltenen Werte befassen sich mit dem zeitlichen und räumlichen Verhalten subatomarer Teilchen. In der Regel beschreiben die Geräteforscher mithilfe der Schrödinger-Gleichung subatomare Zustände, die zu unzähligen komplexen Ergebnissen und verschwommenen Grafiken führen.

Die erste direkte Aufzeichnung

Die große Errungenschaft des Bildes, das diesen Text öffnet, war jedoch die Fähigkeit, die Wellenfunktion tatsächlich zu beobachten - zumindest jenseits vieler Zahlen und Theorien. Während das Bestimmen der genauen Position eines Elektrons dem Versuch gleicht, eine Mückenwolke mit einer Hand einzufangen - eine Art Quanteninkonsistenz -, ist es tatsächlich möglich, einen gesamten Quantenzustand auf der Grundlage statistischer Schlussfolgerungen zu erfassen.

Dies erfordert jedoch ein Werkzeug, das in der Lage ist, verschiedene Messungen von Wellenmustern über die Zeit durchzuführen. Die Herausforderung blieb jedoch bestehen: Wie können die aufgenommenen Bilder basierend auf den Quantenzuständen subatomarer Partikel vergrößert werden? Laut Wissenschaftlern kommt hier das Quantenmikroskop ins Spiel.

Projizierte Elektronen

Die Erfindung nutzt die mikroskopische Photoionisierung, um Atomstrukturen direkt sichtbar zu machen. In einem Beitrag in den Physical Review Letters beschreibt Aneta Stodolna vom FOM-Institut für Atom- und Molekularphysik, wie sie und ihr Team die Knotenstruktur eines Wasserstoffatoms erfassen konnten, das in einem statischen elektrischen Feld stationiert ist.

Dabei wurden Laserpulse über Atomen abgegeben, wodurch die ionisierten Elektronen entweichen und bestimmten Bahnen in Richtung eines zweidimensionalen Detektors folgen. Natürlich gibt es unzählige Wege, die Elektronen zurücklegen können, bevor sie denselben Detektorpunkt erreichen. Laut Stodolna entstanden dabei Interferenzmuster, die die Knotenstruktur von Wellenfunktionen widerspiegelten.

Um die Aufzeichnung zu vervollständigen, verwendeten die Forscher schließlich eine elektrostatische Linse, die in der Lage ist, die von Elektronen erhaltenen Projektionen um das 20.000-fache zu erhöhen. Für die Zukunft wollen die Forscher dieselbe Technologie verwenden, um die Reaktionen von Atomen innerhalb von Magnetfeldern zu verifizieren.