Neue Methode zur Sichtbarmachung von elektronischen Orbitalen in Kristallen

26. März 2019

Die Forscherteams von Prof. Liu Hao Tjeng vom MPI-CPfS, Prof. Maurits Haverkort vom Institut für Theoretische Physik der Universität Heidelberg (ehemals MPI-CPfS) und Dr. Andrea Severing von der II Physik, UzK haben an einer Messstation am Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY eine neue Methode zur Sichtbarmachung von lokalen quantenmechanische Objekten in Festkörpern konzipiert und getestet.

Orbitale Zustände sind Konstrukte der Quantenmechanik, die die Aufenthaltswahrscheinlichkeit von Elektronen eines Atoms, Moleküls oder aber Festkörpers beschreiben. Aus der Atomphysik wissen wir, dass s-Orbitale kugelförmig sind oder p-Orbitale die Form einer Hantel haben. Wie aber sehen die komplizierten Elektronendichteverteilungen der an Bindungen beteiligten Elektronen in Festkörpern aus? Die Kenntnis dieser Orbitalen Zustände/Verteilungen ist die Grundlage für das Verständnis von chemischen Bindungen, um damit physikalische Eigenschaften zu verstehen; immer mit dem Ziel Materialien mit spezifischen Eigenschaften  designen zu können. Hier hat die Röntgenspektroskopie wertvolle Beiträge geliefert. Allerdings ist die Interpretation der Spektren nicht einfach und basiert häufig auf geschickten Annahmen für die Auswertung der Daten. Es wäre daher wünschenswert eine experimentelle Methode zu haben, die die lokalen Elektronendichten direkt abbildet.

Eine solche Methode haben die Forscherteams von Prof. Liu Hao Tjeng,  Prof. Maurits Haverkort und Dr. Andrea Severing entwickelt. Am Deutschen Elektronen Synchrotron DESY in Hamburg haben sie eine Messstation aufgebaut, mit der man lokale Elektronendichten ohne weitere mathematische Auswertungen direkt abbilden kann. Am Bespiel von Ni2+ in NiO, dem Textbuch Beispiel für stark korrelierte Materialien, haben sie gezeigt, dass die Winkelabhängigkeit der Übergangsintensität des Dipol verbotenen Übergangs 3s→3d (siehe Abb. 1) genau die Winkelabhängigkeit des Ni2+ 3A2 3d(x2-y2/3z2-r2) Orbitals abbildet (siehe Abb. 2).  Dahinter steckt die simple Idee, dass das 3s Orbital kugelförmig ist und damit nicht zur Winkelabhängigkeit der Streuintensität beiträgt. Die Winkelabhängigkeit der Streuintensität spiegelt daher direkt die Winkelverteilung der lokalen Elektronendichte der 3d Elektronen wider.

Was einfach klingt ist aber experimentell nicht trivial, da sd Übergänge Dipol verboten sind und damit mit herkömmlichen Methoden wie z.B. der Röntgenabsorption nicht erreichbar sind. Man kann diesen Übergang aber mit Photonen anregen, wenn beim Energieübertrag zugleich sehr große Impulse von ca. 10 Å-1 übertragen werden. Dadurch können zusätzlich zu Dipol- auch sogenannte Multipolübergänge angeregt werden, die anderen Auswahlregen folgen, so dass auch ein 3s→3d  Übergang Intensität hat. Solche hohen Impulsüberträge erreicht man in einem (nicht-resonanten) unelastischen Röntgenstreuexperiment, abgekürzt NIXS (aus dem Englischen non-resonant inelastic x-ray scattering) mit harter Röntgenstrahlung (ca. 10 keV). Ist der Ausgangszustand ein s-Orbital, kann man wie hier das d-Orbital direkt abbilden. Diese Methode trägt daher auch den Namen s-NIXS

 

LHT / CPfS

Abbildung 1: Der Übergang 3s→3d gemessen in NiO an der Ni M1 Kante. Gezeigt ist der Übergang für viele verschiedene Richtungen des Impulsübertrags relativ zur Orientierung der Probe. Dabei spricht man von Schnitten durch den Einkristall, die durch die Richtungen [001] und [100] (a) bzw. [001] und [110] (b, c) definiert sind.
Abbildung 2: a, b) Integrierte Intensitäten des M1 Übergangs 3s→3d in Abb. 1 geplottet auf die jeweiligen Projektionen des 3A2 3d(x2-y2/3z2-r2) Orbitals von Ni2+. c) dreidimensionale Darstellung des  3A2 3d(x2-y2/3z2-r2) Orbitals (oder genauer: der Lochdichte) mit den entsprechenden Projektionen in a) und b).
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