Ein Elektronenmikroskop kann inzwischen auf der Ebene von Atomsäulen unterscheiden, wie sich bestimmte Elektronen um die Atome verteilen.
Um dieses Ergebnis zu verstehen, muss man das Bild von Elektronen vergessen, die wie Planeten um den Atomkern kreisen. In der Quantenmechanik beschreibt man vielmehr Bereiche, in denen sie mit höherer Wahrscheinlichkeit anzutreffen sind. Diese Bereiche nennt man Orbitale. Ihre Form und Ausrichtung können je nach Umgebung des Atoms variieren.
Ein Heliumatom mit seiner Elektronenwolke
Bild Wikimedia
Ein Orbital stellt hier den Bereich dar, in dem die Elektronen am wahrscheinlichsten anzutreffen sind. Manche Orbitale sind in eine bestimmte Richtung verlängert. Anders gesagt, kann sich die mit den Elektronen verbundene «Wolke» stärker vertikal oder umgekehrt in der Ebene des Materials ausdehnen.
Diese Ausrichtung ist wichtig, weil sie beeinflusst, wie sich Elektronen in einem Festkörper bewegen und miteinander wechselwirken können. Sie kann daher zu dessen elektrischen oder magnetischen Eigenschaften beitragen. Bisher konnten Röntgenstrahlen dieses Phänomen bereits untersuchen, allerdings vor allem als Durchschnitt über viele Atome.
Die neue Methode ermöglicht eine deutlich lokalere Untersuchung.
Roger Guzman und seine Kollegen verwenden ein Transmissionselektronenmikroskop. Ein extrem feiner Elektronenstrahl durchdringt eine sehr dünne Probe. Nach dem Durchgang messen die Wissenschaftler, wie viel Energie die Elektronen des Strahls verloren haben und in welche Richtung sie abgelenkt wurden.
Der Kniff besteht darin, das erhaltene Signal in zwei senkrechten Richtungen zu vergleichen. Wenn die Elektronen des Materials bevorzugt ein in eine bestimmte Richtung ausgerichtetes Orbital besetzen, zeigt sich dieser Unterschied in den Messungen. Das Mikroskop kann den Vorgang wiederholen, indem es seinen Strahl von einem Punkt der Probe zum nächsten bewegt.
Das Ergebnis ist eine Karte der elektronischen Anordnung des Materials. Ihre Auflösung liegt unter einem Ångström, also bei weniger als 0,1 Nanometern. Damit erreichen die Autoren eine Empfindlichkeit, die einer einzigen Atomsäule entspricht. Eine Säule bezeichnet hier mehrere Atome, die in der vom Mikroskopstrahl durchquerten Richtung ausgerichtet sind.
Um die Methode zu überprüfen, untersuchte das Team dünne Schichten eines manganhaltigen Oxids. Einige wurden von ihrem Träger zusammengedrückt, andere leicht gedehnt. In beiden Fällen bevorzugten die Manganelektronen unterschiedliche Orbitale. Das Ergebnis entspricht den bereits bei Röntgenmessungen beobachteten Tendenzen.
Diese Präzision wird besonders an einem Defekt oder an der Grenze zwischen zwei Materialien interessant. An diesen Stellen kann sich die Anordnung der Elektronen auf nur wenigen Atomen verändern und in einer Durchschnittsmessung verschwinden. Die Autoren wollen diese Technik nun nutzen, um solche lokalen Veränderungen in Quantenmaterialien und künstlichen Grenzflächen zu untersuchen.