Neue Klasse von Quasikristallen

Vor rund 35 Jahren wurden Quasikristalle entdeckt, eine neuartige Materialklasse. Forscher fanden Quasikristalle lange nur in ternären Legierungen – Metalle, die aus drei unterschiedlichen Atomsorten bestehen. Später kamen andere Systeme wie Flüssigkristalle oder Perowskitfilme hinzu. Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich haben jetzt eine weitere Klasse von Quasikristallen entdeckt. Sie klärten mittels Computersimulationen, wie die besondere Anordnung der Moleküle zustande kommt.

Aufgrund ihrer speziellen Struktur zeigen Quasikristalle eine Reihe besonderer physikalischer Eigenschaften. Sie werden heute bereits für Pfannenbeschichtungen oder Katalysatoren eingesetzt. Die neu entdeckte Klasse ist insbesondere für optische Anwendungen interessant, etwa zur Herstellung photonischer Kristalle. Darüber hinaus schafft sie neue Möglichkeiten des Studiums magnetischer Systeme und zur Entwicklung von Speicherbausteinen für Quantencomputer.

Quasikristalle sind außergewöhnlich aufgebaut. Klassische Kristalle besitzen eine periodische Struktur, deren Elementarzellen sich ähnlich wie bei einem Schachbrettmuster in regelmäßigen Abständen wiederholen. Die Möglichkeiten für derartige Strukturen sind beschränkt: In zwei Dimensionen lassen sich bspw. nur zwei-, drei-, vier und sechszählige Symmetrien lückenlos zusammenfügen. Quasikristalle erlauben dagegen auch andere Symmetrien – fünfzählige etwa, oder die nun entdeckte zweidimensionale Struktur mit zwölfzähliger Symmetrie, deren drei- und viereckige Grundelemente aus Fullerenen sich unregelmäßig über das Substrat verteilen.

Forscher des Jülicher Peter Grünberg Instituts die Fullerene auf einer Platin-Titan-Legierung abgeschieden. Mittels rechenintensiver Ab-initio-Simulationen auf dem Jülicher Superrechner JUQUEEN gelang es ihnen, die Anordnung der Fullerene auf die spezielle Wechselwirkung mit der zugrunde liegenden Legierung zurückzuführen. Die detaillierten Erkenntnisse könnten es künftig ermöglichen, maßgeschneiderte Quasikristalle mit bestimmten Qualitäten herzustellen.