Freie Elektronen in einem Quasikristall

News: Freie Elektronen in einem Quasikristall

Metalle sind perfekte elektrische Leiter - es sei denn, man stellt die falsche Legierung her. Bestimmte Mischungen bilden so genannte Quasikristalle, die nahezu isolieren. Einige Elektronen können sich aber dennoch in der Struktur bewegen. Offenbar tun sie das ganz ähnlich wie in normalen Metallen.

Irgendwie Kristall und doch nicht regelmäßig – Quasikristalle sind trotz ihrer seltsamen Struktur auf großen Skalen perfekt geordnet. Dennoch haben sie keine sich immer wiederholenden Einheitszellen wie ein richtiger Kristall. Ihr elektrischer Widerstand liegt um etliche Größenordnungen über dem ihrer einzelnen Komponenten, dennoch sind Ströme möglich.

Zum ersten Mal haben die Forscher um Eli Rotenberg vom Lawrence Berkeley National Laboratory jetzt beschrieben, wie sich Elektronen in einem solchen komplexen Gebilde bewegen. Sie untersuchten eine Legierung aus Aluminium, Nickel und Kobalt mit einer zehneckigen Struktur. Diese spezielle Mischung wählten die Forscher, weil sie sowohl eine reguläre Kristallstruktur entlang der einen Achse als auch eine Quasikristallstruktur senkrecht dazu hat. Dadurch konnten sie anhand von Photoemissionsexperimenten kristalline und quasikristalline Ordnung direkt vergleichen. "Wir messen die Emissionswinkel und die kinetische Energie von Elektronen, die von weichen Röntgenstrahlen aus der Nähe der Oberfläche gestreut werden", erklärt Rotenberg. "Dabei handelt es sich um Valenzelektronen, die nicht so fest gebunden sind wie in der Nähe der Atomkerne."

In einem Metall bilden die Elektronen eine Art See, in dem sie sich völlig frei bewegen können. Daher lag die Vermutung nahe, dass sie sich in Quasikristallen in kleinen Gruppen anhäufen, die der Struktur der Legierungen entspricht. "Unser Hauptergebnis ist, dass die Verteilung der Elektronenzustände im Impulsraum mit dem Muster der Elektronenstreuung korreliert ist – genau wie in einem normalen Kristall. Die Elektronen sammeln sich nicht, sondern spüren stattdessen das weit reichende Potential des Quasikristalls", erläutert Rotenberg. "Wir haben herausgefunden, dass sich Elektronen nahezu frei bewegen, genau wie bei der Leitung in einem normalen Metall" (Nature vom 10. August 2000). Zumindest einige der möglichen Elektronen-Zustände sind also über die Metalllegierung ausgedehnt. Es könnte aber auch noch einige lokalisierte Zustände wie in einem amorphen Metall geben. Quasikristalle wären dann eine Art Zwischending zwischen diesen Extremen.

Es bleiben also noch einige Rätsel zu lösen – kein Wunder, denn noch vor 16 Jahren ahnte niemand, dass diese Strukturen existieren. "Bevor Dan Schechtman und seine Kollegen 1984 Quasikristalle entdeckten, hätten die meisten Menschen gesagt, sie wären von der Struktur her unmöglich", erzählt Rotenberg. "Sie können eine Fläche mit gleichseitigen Dreiecken oder Quadraten kacheln – Formen mit dreifacher oder vierfacher Rotationssymmetrie. Und Sie können einen Raum periodisch mit Tetraedern oder Würfeln füllen, zwei der Arten, wie sich Atome in normalen Kristallen typischerweise anordnen." Quasikristalle aber weisen Strukturen auf, die Flächen oder Räume nicht lückenlos füllen können. Möglicherweise halten sie wegen dieser Eigenschaften noch mehr Verblüffendes bereit, was noch entdeckt werden will.

Siehe auch

Spektrum Brennpunkt-Thema vom 10.11.1999
"Viele Dimensionen und Quasikristalle"
Spektrum der Wissenschaft 7/99, Seite 14
"Quasikristalle in neuem Licht"
(nur für Heft-Abonnenten online zugänglich)

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