Presseinformation: Blick hinter die Kulissen: Elektronenorbitale im Experiment

Nr. 103 - 04.08.2026

Göttinger Forschungsteam bildet Wellenfunktion eines Moleküls dreidimensional ab

(pug) Elektronen lassen sich nicht auf einen einzigen Ort festlegen. Das ist eine der zentralen Erkenntnisse der Quantenmechanik. An die Stelle des Ortes tritt die Wellenfunktion: eine mathematische Größe, die alle wichtigen Informationen über das Teilchen enthält. Einem interdisziplinären Forschungsteam der Universität Göttingen ist es nun gelungen, die Wellenfunktion eines nanometergroßen organischen Moleküls dreidimensional abzubilden – und das mit einer Röntgenlichtquelle, die auf einen Labortisch passt. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht.

„Die Wellenfunktion ist eine fundamentale Größe der Quantenmechanik, lässt sich aber nicht direkt messen“, erklärt Prof. Dr. Stefan Mathias, Leiter der Forschungsgruppe „Ultraschnelle Dynamik in Quantenmaterialien“ der Universität Göttingen. Besonders interessant sind die Wellenfunktionen der Elektronen in Molekülen, die sogenannten Molekülorbitale: Sie bestimmen, wie ein Molekül Licht aufnimmt oder chemische Reaktionen eingeht. Um sie sichtbar zu machen, kombinierte das Team hochpräzise Photoelektronenspektroskopie – dabei löst Licht Elektronen aus dem Material, deren Impuls Rückschlüsse auf die Wellenfunktion erlaubt – mit leistungsfähigen Computeralgorithmen. Das Ergebnis: ein vollständiges 3D-Bild des Molekülorbitals, mit einer Auflösung feiner als der Abstand zweier Kohlenstoffatome. Bisher waren solche Aufnahmen nur an großen Beschleunigeranlagen, sogenannten Synchrotronen, möglich, und selbst dort nur mit erheblichem Zeitaufwand.

„Wir führen zwei neue Konzepte ein: Erstens liefert unser von Grund auf neu entwickelter Algorithmus zuverlässige 3D-Bilder aus deutlich weniger Messdaten. Zweitens beruht das Experiment auf einer leistungsstarken Lichtquelle im Labormaßstab, die ultrakurze Pulse weicher Röntgenstrahlung erzeugt“, erklärt Dr. Matthijs Jansen, Mitglied der Forschungsgruppe „Ultraschnelle Dynamik in Quantenmaterialien“ und einer der Leiter der Studie. „Es ist die Kombination beider Methoden, die diese Ergebnisse so beeindruckend macht.“ Erstautorin Dr. Wiebke Bennecke von derselben Forschungsgruppe fügt hinzu: „Damit könnte stroboskopische Videografie Wirklichkeit werden: Wir würden nicht nur die Form von Wellenfunktionen sehen, sondern auch, wie sie sich verändert – mit einer Zeitauflösung von Femtosekunden, also Billiardstel Sekunden. So lernen wir, wie ein Molekül auf optische, elektronische oder chemische Reize reagiert, und finden neue Wege, diese Prozesse auf atomarer Skala zu steuern.“

Originalveröffentlichung: Bennecke, W. et al. "Table-top three-dimensional photoemission orbital tomography with a femtosecond extreme ultraviolet light source." Nature Communications (2026). DOI: 10.1038/s41467-026-74308-1

Kontakt:

Prof. Dr. Stefan Mathias

Georg-August-Universität Göttingen

Fakultät für Physik

1. Physikalisches Institut – Quantenmaterialien

Friedrich-Hund-Platz 1, 37077 Göttingen, Germany

Telefon: 0551 39-27601

E-Mail: smathias@uni-goettingen.de

Internet: www.mathias.physik.uni-goettingen.de

Dr. Matthijs Jansen

Georg-August-Universität Göttingen

Fakultät für Physik