06.07.2026

Ein Schnappschuss von Elektronen in Bewegung

Erstmals ist es gelungen, die ultraschnellen Bewegungen von Elektronen sichtbar zu machen. Dazu haben sich Forschende der Universität Tübingen, der University of Oxford, der Brown University und des SLAC National Accelerator Laboratory in einem Experiment die Röntgenstreuung zunutze gemacht. Die Methode könnte dazu beitragen, neue Einblicke in fundamentale Prozesse der Chemie und Physik zu gewinnen. Die Forschenden haben dazu jetzt eine Studie in der Fachzeitschrift Nature Physics veröffentlicht.

Elektronen bewegen sich so schnell, dass ihre Dynamik experimentell nur schwer zugänglich ist. Dennoch bildet sie den Ausgangspunkt vieler Prozesse – etwa, wenn Licht Moleküle anregt, photochemische Reaktionen beginnen oder energiereiche Strahlung Materie ionisiert. All das geschieht innerhalb weniger Femtosekunden, also millionstel von milliardstel Sekunden.

Im Mittelpunkt der neuen Studie steht der sogenannte Auger-Meitner-Zerfall. Wird ein Molekül durch Röntgenstrahlung ionisiert, entsteht zunächst ein Loch in der Nähe des Atomkerns. Dieses wird innerhalb weniger Femtosekunden durch andere Elektronen aufgefüllt. Dabei werden weitere Elektronen aus dem Molekül herausgelöst, und die gesamte Elektronenverteilung verändert sich.

Aus den Daten eines Röntgenstreu-Experiments konnte die räumliche Elektronenverteilung zu einem durch den experimentellen Aufbau vorgegebenen mittleren Zeitpunkt – etwa 15 Femtosekunden nach Beginn des Zerfalls – bestimmt werden. Damit wird sichtbar, wie die Elektronen zu diesem Zeitpunkt im Molekül verteilt sind.

Von der Universität Tübingen war Dr. Elke Fasshauer vom Institut für Physikalische und Theoretische Chemie an der Universität Tübingen an der Studie beteiligt und arbeitete an der Entwicklung des theoretischen Modells der Elektronendynamik. Sie entwickelt gemeinsam mit Mats Simmermacher aus Oxford das kinetische Modell und die theoretische Beschreibung des Auger-Meitner-Zerfalls. „So konnte das experimentelle Ergebnis mit der zugrunde liegenden Elektronendynamik in Verbindung gebracht werden“, sagt Elke Fasshauer.

Die Studie verbindet modernste experimentelle und theoretische Methoden und liefert wichtige theoretische Grundlagen für zukünftige Röntgen-Pump-Röntgen-Probe-Experimente, mit denen sich Elektronenbewegungen vollständig zeitaufgelöst verfolgen lassen könnten. Langfristig könnte dies dazu beitragen, ultraschnelle Elektronendynamik in Molekülen besser zu verstehen.

Hochschulkommunikation

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