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Im Rahmen des NAWI Graz Faculty Clubs am Freitag den 5.4.2024, halte ich den Vortrag „Wie filmt man Elektronen in Molekülen? Und was können wir daraus lernen?” Der Vortrag findet um 12:15 Uhr im HS 05.01 am Universitätsplatz 5/EG (Uni Graz) statt und richtet sich an alle interessierte Studierende aller Institute der NAWI Fakultät und an Interessierte darüber hinaus!

In der in Nature Communications veröffentlichten Arbeit "Disentangling the multiorbital contributions of excitons by photoemission exciton tomography" zeigen wir zusammen mit experimentellen Gruppen aus Göttingen und Kaiserslautern, wie Exzitonen in Fullerenen (C60-Molekülen) mit Hilfe der Photoemissions-Orbital-Tomographie abgebildet werden können. Und das gante mit einer Femtosekunden Zeitauflösung! Unmittelbar nach der Erzeugung des Exzitons durch Licht verteilt es sich auf zwei oder mehr Moleküle, aber innerhalb weniger Femtosekunden schrumpft das Exziton allerdings wieder auf ein einziges Molekül zusammen.

Dem Grazer „Orbital Cinema“-Team gelang einer Veröffentlichung in Physical Review B gelang ein erfolgreicher Start ins ERC-synergy Projekt, und es konnte ein wichtiger Grundstein für ihr weiteres Vorhaben gesetzt werden. Optische Anregungen von Molekülen werden theoretisch durch korrelierte Elektron-Loch-Paare, sogenannte Exzitonen, beschrieben. Solche Quasiteilchen sind insbesondere für das Verständnis der fundamentalen Prozessen in  Solarzellen oder Leuchtdioden von zentraler Bedeutung, ihre Beschreibung mittels Orbitaltomographie war jedoch bisher nicht möglich. Diese Lücke konnte nun mit der aktuellen Arbeit geschlossen werden, was einen wichtigen Schritt für die geplante Forschung an optisch angeregten Systemen und eine erfolgreiche Premiere für „Orbital Cinema“ bedeutet.

In nur wenige Nanometer breiten Streifen einer reinen Kupfer- bzw. Kupferoxidoberfläche lassen sich die elektronischen Eigenschaften von langkettigen organischen Halbleitern auf Oberflächen gezielt anpassen. Dies wurde für das Molekül Heptacene in einer vor kurzem im Journal of Physics: Condensed Matter erschienen gemeinsamen Arbeit mit der Gruppe von Martin Sterrer gezeigt.

Ein spezieller, metall-organischer Komplex kann sich nicht entscheiden, welchen Spinzustand er auf einer Kupfer-Oberfläche einnehmen soll. Die Kontrolle der magnetischen Eigenschaften von Molekülen auf Oberflächen steht im Fokus eines in Advanced Science erschienenen Artikels (DOI: https://doi.org/10.1002/advs.202300223).

Photoemissions-Orbital-Tomographie detektiert die Krümmung der molekularen Gerüststruktur eines in der Gasphase planaren Pi-konjugierten Moleküls bei Adsorption auf einer MgO-Oberfläche. Diese Arbeit unter der Leitung von Martin Sterrer ist in Phys. Chem. Chem. Phys. erschienen.

Für das Projekt „Orbital Cinema“ haben wir (Stefan Tautz, Ulrich Höfer, Rupert Huber und ich) einen der begehrten ERC Synergy Grants erhalten. In dem Projekt wollen erstmalig die blitzartigen Bewegungen von Elektronen in Molekülen in ultraschneller Zeitlupe erfassen. Auf revolutionäre Art soll so ein direkter Einblick in die innere Struktur von Quantensprüngen und Ladungstransferprozessen gewonnen und gezeigt werden, wie sich chemische Reaktionen durch elektrische Felder und Licht steuern lassen. 

Elektronenorbitale zeigen, wo und wie sich Elektronen um Atomkerne und Moleküle bewegen. Nur wenn sich die Orbitale räumlich und energetisch nahe sind, lassen sie sich kombinieren und führen zu chemischen Bindungen. Wie wir in einer in Nature Communications veröffentlichten Arbeit  zeigen konnten, gibt es jedoch noch eine weitere Voraussetzung, die erfüllt sein muss: die chemische Bindung zwischen organischen Molekülen und Metallen findet nur statt, wenn auch die Impulse der beteiligten Elektronen übereinstimmen.

In einer in Science Advances erschienen Arbeit haben wir erstmals Sigma-Orbitale räumlich abbilden können. Diese sind insbesondere für die Bindungen zu Wasserstoffatomen in Kohlenwasserstoffen verantwortlich und spielen somit eine wichtige Rolle bei chemischen Prozessen, die für die Speicherung von Wasserstoff – einem Energieträger der Zukunft – relevant sind.

In Zusammenarbeit mit Experimentatoren aus Deutschland und Italien untersuchten wir Tetrapyrrol-Verbindungen, deren Metallzentren in der Natur häufig für enzymatische Reaktionen verantwortlich sind. In userer Arbeit wurden die organischen Moleküle auf einer Kupfer-Oberfläche in einen ungewöhnlichen und enzymatisch ähnlich reaktiven Zustand gebracht und die Reaktion von Stickstoffmonoxid (NO) an einem Nickel-Komplexe untersucht. Veröffentlichung: Angewandte Chemie Int. Ed. (2022).

Von 25. bis 27. Oktober 2021 findet das internationale WE-Heraeus Seminar "Photoemission Tomography: Applications and Future Developments" als Hybrid-Workshop im Physikzentrum Bad Honnef, Deutschland, statt. Erfahren Sie mehr über das Thema und die eingeladenen Vertragenden auf der Webseite zum Workshop und registrieren Sie sich als Teilnehmer bis zum 5. September.

In Kooperation mit Experimentatoren gelang es uns, die Adsorptionsgeoemtrie des Moleküls Heptazen auf einem Kupfersubstrat aufzuklären, und wir konnten zeigen, wie seine elektronische Struktur sich mit der Orientierung des Moleküls auf dem Cu-Substrats verändert. Boné et al., J. Phys. Chem. C 125, 9129-9137 (2021).

In Zusammenarbeit mit ForscherInnen der Universität Marburg und dem Forschungszentrum Jülich, welche state-of-the-art Ultrakurzzeit-Laser mit sogenannten Flugzeit-Elektronenspektrometern kombinierten, konnten wir die Elektronendynamik in Molekülen durch Aufzeichnung von Molekülbildern mit extrem hoher zeitlicher Auflösung im Femtosekundenbereich beobachten. Wallauer et al., Science 371, 1056-1059 (2021).

In einer kürzlich erschienenen Publikation in "Angewandte Chemie (International Edition)" wurde durch eine Zusammenarbeit mit der Oberflächenphysikgruppe der Universität Graz gezeigt, wie die Selbstmetallisierung von Porphyrin-Molekülen auf Magensiumoxidoberflächen mithilfe ihrer Ladungszustände kontrolliert werden kann. Egger et al., Angew. Chem. Int. Ed. 60, 5078-5082 (2021).

In einer Zusammenarbeit mit ExperimentatorInnen von Marburg, Jülich und Graz konnten wir diese Frage nun endlich durch theoretische Vorhersagen aus Puschnigs Arbeitsgruppe für das Kekulen-Molekül beantworten. Haags et al., ACS Nano 14, 15766-15775 (2020).

In einem gemeinsamen Projekt mit der Oberflächenphysikgruppe an der Universität Graz konnten wir zeigen, dass der Ladungstransfer in organischen Molekülen durch ultradünne dielektrische Zwischenschichten durch Tunnelprozesse bestimmt wird. Hurdax et al., Advanced Materials Interfaces 7, 2000592 (2020).

Methoden, die es erlauben, die Zwischen- und Endprodukte von chemischen Reaktion zu identifizieren, gelten als der "Heilige Gral" in der analytischen Chemie. Gemeinsam mit ExperimentatorInnen aus Graz und Jülich nutzen wir Photoemissionstomographie, um die exakte chemische und elektronische Struktur eines, durch Termperaturbehandlung eines Vorstufenmoleküls auf einer Kupferoberfläche entstandenen, Reaktionsprodukts aufzuklären und identifizierten es als "Nano-Graphene". Yang et al., Nature Communications 10, 3189 (2019).