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3D-Computermodell eines trilobitähnlichen zweiatomigen Rubidium-Moleküls
Die Elektronenhülle eines Moleküls aus zwei Rubidiumatomen kann bisweilen räumlich höchst ungleichmäßig verteilt sein. Unter bestimmten Bedingungen nimmt die Ladungsverteilung sogar die Gestalt eines Trilobiten an - eines Gliedertierchens, das vor mehr als 300 Millionen Jahren die Weltmeere bevölkerte. Die farbigen Bereiche in der Abbildung entsprechen den Orten, an denen man mit großer Wahrscheinlichkeit eines der Valenzelektronen findet, das die zwei Atome aneinander bindet. In den hellen Zonen trifft man das Bindungselektron dagegen so gut wie nie an. Eines der Atome sitzt im Zentrum der konzentrischen Kreise, die den möglichen Aufenthaltsbereich des Elektrons markieren. Das andere befindet sich am oberen Rand. Ungewöhnlich ist auch die Ausdehnung des Moleküls: Es ist rund tausendmal so groß wie ein gewöhnliches Molekül.
Ein fragiler Zweierbund
Den Giganten haben Forscher um Tilman Pfau von der Universität Stuttgart erzeugt, indem sie eine Wolke aus Rubidiumatomen in einer Magnetfalle festhielten, bis an den absoluten Nullpunkt kühlten und mit Laserpulsen bestrahlten. Einige Atome wurden dabei so stark angeregt, dass sich deren Valenzelektronen recht weit vom Atomkern entfernten. Es entstanden sogenannte Rydbergatome mit einem Durchmesser von rund hundert Nanometern. Traf ein solches Atom auf ein Pendant im Grundzustand, bildete sich ein locker gebundenes zweiatomiges Molekül von der Größe eines Virus.
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Elektronenverteilung des molekularen Trilobiten.
Ein ungewöhnlicher Dipol
Als Pfau und seine Kollegen die Verteilung der Ladung zwischen den beiden Atomen erkundeten, erlebten sie eine Überraschung. Während bei gleichen Atomen die Ladung normalerweise gleichmäßig über das ganze Molekül verteilt ist, hielt sich das Valenzelektron des Rydbergatoms bevorzugt in der Nähe des Atoms im Grundzustand auf. Das Molekül verhielt sich wie ein elektrischer Dipol ("Science", Bd. 334, S. 1110). Das Rydbergatom bildete dabei den positiven, das Atom im Grundzustand den negativen Pol. Computersimulationen, die Forscher des Max-Planck-Instituts für Physik komplexer Systeme in Dresden vornahmen, zeigten schließlich, dass die räumliche Verteilung der Elektronenladung Ähnlichkeit mit einem Trilobiten hatte.
