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Photoemissions-Orbitaltomographie: Elektronen in Molekülen sichtbar machen
Sie lässt Elektronen in Molekülen sichtbar werden. Doch Photoemissions-Orbitaltomographie (POT) kann noch mehr. Das hat Anja Meier gezeigt – in ihrer preisgekrönten Doktorarbeit.
Anja Meier lässt sich nicht so leicht beirren. Zum Glück für die Wissenschaft, denn die hat jetzt ein deutlich breiter einsetzbares Werkzeug als vorher: Anja Meier hat die Photoemissions-Orbitaltomographie (POT) mit Kolleg:innen vom Peter Grünberg Institut (PGI-3), der Universität Graz und der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt Berlin weiterentwickelt. Die Methode macht sichtbar, welche physikalischen Eigenschaften Moleküle haben und wo genau sich die Elektronen in den Molekülen befinden.
Schon lange ist bekannt, dass sich die Elektronen eines Moleküls nicht gleichmäßig verteilen. Stattdessen bevorzugen sie bestimmte Bereiche als Aufenthaltsorte, die sogenannten Orbitale. Deren Form können Forscher:innen mit mathematischen Gleichungen berechnen. Seit einigen Jahren lässt sich mithilfe der POT experimentell überprüfen, ob die Ergebnisse tatsächlich realitätsgetreu sind. „Hierbei beschießen wir Proben gezielt mit Photonen“, erläutert Anja Meier. Dadurch werden Elektronen aus der Probe herausgeschleudert.
Die Methode hat so viel Potenzial, ich bin mir sicher: Da wird noch einiges passieren.
Anja Meier und ihr Team erfassen dann unter anderem deren Energie und Austrittswinkel. Aus den Messdaten erstellen die Forscher:innen sogenannte Impulskarten, quasi Schnappschüsse der Elektronenverteilung. Diese geben Aufschluss über die Form der Orbitale. „Dass wir Orbitale wirklich zeigen können, ist für mich als Chemikerin einfach fantastisch“, freut sich die Forscherin.
Annahmen widerlegt
Viele Jahre galt die POT als nur begrenzt einsetzbar. In ihrer Doktorarbeit hat Anja Meier die Einschränkungen hinterfragt – und nachgewiesen, dass die Methode viel mehr kann, als ursprünglich angenommen. „Mein roter Faden bei all dem war ein Paper von Kollegen aus Graz aus dem Jahr 2009“, erinnert sich Meier. „Prof. Peter Puschnig und Prof. Michael Ramsey haben darin zum ersten Mal beschrieben, welche Systeme mit POT untersucht werden können.“ Damals glaubten die beiden Forscher, die heute eng mit Anja Meier zusammenarbeiten, dass sich die Methode nur in speziellen Fällen verwenden lasse – etwa zum Vermessen flacher Moleküle. Anja Meier hat in ihrer Doktorarbeit die Annahmen experimentell überprüft und konnte zeigen: POT kann deutlich umfangreicher genutzt werden.
„Mein wichtigstes Ergebnis war, dass wir mit POT verschiedene Orbitaltypen messen können“, berichtet die Forscherin. Gemäß den Rechenmodellen nehmen Orbitale in Molekülen verschiedene Formen an. Anja Meier gelang es nun erstmals, auch Molekülorbitale vom Typ σ mit POT zu vermessen. Und das obwohl diese für Messinstrumente besonders schwer zu erreichen sind und hochkomplexe Daten zurücksenden. Außerdem konnte Anja Meier mittels POT eine lange strittige Frage zur Elektronenverteilung in einem ringförmigen Molekül beantworten, dem „Superbenzol“ Kekulen.
Mit ihren Ergebnissen überzeugte die Forscherin selbst skeptische Koryphäen ihres Fachgebiets, etwa den kürzlich verstorbenen Briten Prof. Phil Woodruff. „Er hatte Zweifel, ob die POT für all die neuen Fälle tatsächlich korrekte Ergebnisse liefert“, blickt Meier zurück. Sie führte deshalb eine Reihe von Experimenten durch, die er vorgeschlagen hatte, und bewies: Die Methode funktioniert. Zu diesem Erfolg gratulierte ihr der Pionier der Festkörperphysik höchstpersönlich. „Das hat mich unheimlich gefreut“, sagt Anja Meier.
Die wissenschaftliche Gemeinschaft hat die vielen hochkomplexen Messreihen und monatelangen Auswertungen mit zwei Auszeichnungen honoriert: mit dem ICSOS-Young-Scientist-Preis 2023 und dem Exzellenzpreis des Forschungszentrums 2025.
Dank Anja Meiers Forschung hat sich ein ganzes Spektrum an Möglichkeiten ergeben, die Methode zu nutzen. Und aus Sicht der Forscherin ist das noch nicht alles: „Die Methode hat so viel Potenzial, ich bin mir sicher: Da wird noch einiges passieren.“ Dazu will auch Anja Meier weiterhin beitragen, allerdings eingeschränkt. „Ich habe festgestellt, dass Vollzeitforschung und Gründung einer Familie für mich schwierig zu vereinbaren sind“, sagt die Wissenschaftlerin. Sie arbeitet nun zur Hälfte als wissenschaftliche Koordinatorin und zur anderen Hälfte als Postdoktorandin am PGI-3.
Die POT entwickelt sie aktuell gemeinsam mit Kolleg:innen weiter, im Projekt „Orbital Cinema“. Hier beschießen die Forscher:innen Proben mit kurzen Laserstrahlen und wollen so gezielt chemische Bindungen aufbrechen. „Wir machen mit der POT in sehr kurzen Abständen Schnappschüsse davon, wie sich die Moleküle im Experiment verändern. So bekommen wir kleine Filmsequenzen von chemischen Reaktionen“, erklärt Anja Meier. Auf die Ergebnisse darf man gespannt sein: Möglicherweise verschieben sie die Grenzen des Sichtbaren erneut. Anja Meier wird auf jeden Fall dranbleiben.
In diesem Video stellt Anja Meier selbst ihre Arbeit vor (auf Englisch): go.fzj.de/effzett-anjameier
Dieser Artikel ist Teil der effzett 1/2026. Text: Nora Lessing
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Letzte Änderung: 14.08.2026