Was Details in Röntgen-Spektren alles verraten

16.10.2014 - Deutschland

Eine Studie aus dem HZB zeigt im neuen Journal "Structural Dynamics", wie sich mit RIXS–Spektroskopie die Dynamik der elektronischen und molekularen Struktur in komplexen Flüssigkeiten und Materialien untersuchen lässt und wirft neues Licht auf ein bislang unverstandenes Phänomen.

Wer sich dafür interessiert, wie die elektronische Struktur bestimmter Materialien aussieht, kann diese seit wenigen Jahren mit einer neuen Methode sehr genau untersuchen: RIXS steht dabei für resonante, inelastische Röntgenstreuung mit weichem Röntgenlicht. Dabei treten jedoch in bestimmten Materialproben, zum Beispiel in flüssigem Alkohol, Doppel-Peaks in den Spektren auf. Über die Ursache dieser Doppel-Peaks herrscht eine lebhafte Diskussion unter Physikern. Nun liegt eine neue Studie aus dem Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) vor, die eine schlüssige Erklärung bietet.

Leichte Elemente hinterlassen rätselhafte Doppelpeaks

Bei RIXS wird weiche Röntgenstrahlung aus einem Synchrotron oder einer anderen Quelle an den Molekülen der Probe gestreut. Enthalten diese Proben aber viele leichte Elemente, zum Beispiel Hydroxid-Gruppen (OH) wie beim Alkohol, dann sind die Spektren manchmal nur schwer zu interpretieren: insbesondere zeigen sie aufgespaltene spektrale Formen, Doppel-Peaks. Die vorherrschende Interpretation war, dass solche Doppel-Peaks darauf hinweisen, dass die Moleküle innerhalb der Probe zwei unterschiedliche Strukturen ausbilden. Nun hat ein Team aus dem Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) unterschiedliche Alkohole mit RIXS untersucht und neues Licht auf dieses Thema geworfen.

Röntgenstrahlung "schubst" Atome

Im Journal Structural Dynamics, das das American Institute of Physics (AIP) gemeinsam mit der American Crystallographic Association (ACA) herausgibt, zeigen sie, dass die Doppel-Peaks hauptsächlich aus den dynamischen Bewegungen resultieren, die die Röntgenstrahlen selbst auslösen, wenn sie an den Molekülen streuen. “Wir fanden, dass die Doppel-Peaks in den RIXS-Spektren von flüssigen Alkoholen vor allem durch die Dynamik der Atomkerne bestimmt wird”, sagt Simon Schreck, Wissenschaftler am Institut für Methoden und Instrumentierung der Forschung mit Synchrotronstrahlung am HZB und an der Universität Potsdam. Der Physiker führte die Experimente im Rahmen seiner Doktorarbeit durch, die Prof. Dr. Alexander Föhlisch betreut.

Diese Einsicht hilft nun, die oft vertrackten Details der RIXS-Spektren sinnvoll zu interpretieren und erhöht den Nutzen dieser Technik für die Analyse der molekularen und elektronischen Struktur und ihrer Dynamik in komplexen Materialsystemen.