Das Potenzial der Quasikristalle

Bild: J. I. Urgel / TUM - Rastertunnelmikroskopische Aufnahme des quasikristallinen Netzwerks

Quasikristalle geben Wissenschaftlern noch viele Rätsel auf. Sie besitzen ein übergeordnetes Muster, bestehen jedoch nicht aus periodischen Einheiten. Wie die mosaikartigen Formen entstehen, ist bisher kaum verstanden. Quasikristalline Strukturen gelten jedoch als vielversprechend für die Entwicklung neuartiger Materialien. Forscher haben jetzt eine Methode gefunden, mit der sich zweidimensionale Quasikristalle aus metall-organischen Netzwerken herstellen lassen.

1982 entdeckte der Physiker Daniel Shechtman ein kristallines Muster, das zu dieser Zeit als unmöglich galt. Denn nach damaliger Lehrmeinung weisen Kristalle immer eine sogenannte Translationssymmetrie auf: Sie bestehen aus einer einzigen Grundeinheit, der sogenannten Elementarzelle. Diese wiederholt sich in allen Raumrichtungen immer wieder genau gleich.

Hingegen ließen sich die einzelnen Bausteine von Shechtmans Muster nicht durch einfache Verschiebung aufeinander abbilden – wenngleich Hinweise auf eine globale Symmetrie vorhanden waren. Der erste Quasikristall war entdeckt. Unter welchen Bedingungen und auf Grund welcher Mechanismen Quasikristalle entstehen, bleibt aber bis heute vielfach ein Rätsel.

Baukasten für Quasikristalle

Wissenschaftler am Lehrstuhl für Oberflächenphysik der TU München haben jetzt in Zusammenarbeit mit anderen Institutionen eine neue Grundlage zum Bau zweidimensionaler Quasikristalle entwickelt. Sie kommen damit dem Verständnis der Muster einen großen Schritt näher.

„Wir besitzen nun ein neues Set an Bausteinen, aus denen wir viele verschiedene neue quasikristalline Strukturen bauen können“, erklären die TUM-Physiker. „Diese Vielfalt eröffnet uns neue Möglichkeiten zu untersuchen, wie Quasikristalle entstehen.“

Den Forschern war es gelungen, das Metallatom Europium mit organischen Verbindungen zu verknüpfen. So wurde ein zweidimensionaler Quasikristall gebaut, der sich potentiell sogar zu einem dreidimensionalen Quasikristall erweitern lässt. Erstmals konnten Wissenschaftler damit aus metall-organischen Netzwerken einen Quasikristall konstruieren. Mit einem Rastertunnelmikroskop konnte sie zudem die neue Netzwerkgeometrie in hoher Auflösung detailliert aufklären.

Spannende optische und magnetische Eigenschaften

Jetzt planen die Forscher zunächst, die Wechselwirkungen der Metallzentren mit ihren Verbindungsstücken durch Computersimulationen und im Experiment zu variieren. Sie möchten verstehen, unter welchen Bedingungen sich zweidimensionale Quasikristalle bilden. Vielleicht lassen sich dann in Zukunft gezielt neue quasikristalline Schichten entwickeln.

Diese Materialien sind vielversprechend. Die neuen metall-organischen quasikristallinen Netzwerke könnten Eigenschaften besitzen, die sie für viele verschiedene Anwendungsgebiete interessant machen – neue Funktionalitäten vor allem in den Bereichen Optik und Magnetismus.

Wissenschaftler könnten mit der Methodik gezielt quasikristalline Beschichtungen schaffen, die Photonen so beeinflussen, dass sie besser weitergeleitet oder nur bestimmte Wellenlängen durch das Material durchgelassen werden.

Außerdem könnten die Wechselwirkungen der Lanthanid-Bausteine in den neuen Quasikristallen helfen, magnetische Systeme mit ganz besonderen Eigenschaften zu entwickeln: Sogenannte „frustrierte Systeme“. Hier stören sich die einzelnen Atome eines Kristallgitters, sodass an einem Gitterpunkt kein Energieminimum erreicht werden kann. Es kommt zu exotischen magnetischen Grundzuständen, die beispielsweise als Informationsspeicher für künftige Quantencomputer erforscht werden.

Bild: J. I. Urgel / TUM – Rastertunnelmikroskopische Aufnahme des quasikristallinen Netzwerks