Hallo, Echo!

News: Hallo, Echo!

Das Gedächtnis ferroelektrischer Kristalle ist phänomenal. Sie speichern nicht nur elektrische Felder, sondern - wie Forscher jetzt entdeckten - auch Schall.

Ludmila Carone

Ein ferroelektrischer Kristall funktioniert nach dem gleichen Prinzip wie ein Ferromagnet: Wird er unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes erhitzt und dann langsam wieder abgekühlt, so richten sich polarisierte Atomlagen aus und erzeugen dabei ein eigenes Feld, ähnlich dem von außen angelegten. Und tatsächlich behalten die Kristalle ihre Ausrichtung auch bei, wenn das äußere Feld abgeschaltet wird. Sie werden sozusagen elektrisch geprägt.

Jetzt haben Physiker der University of Mississippi durch eine Zufallsentdeckung noch eine weitere Gedächtnisebene ferroelektrischer Materialien erschlossen. Bei ihrem Versuch klemmten Michael McPershon und Igor Ostrovskii eine Scheibe Lithium-Niobat (LiNbO₃) zwischen einen Lautsprecher und ein Mikrofon und sendeten kurze Schallpulse durch den Kristall. Die Scheibe begann zunächst wie eine Glocke zu klingen und verstummte auch wieder.

Doch plötzlich passierte etwas gänzlich Unerwartetes: Nach 70 Mikrosekunden gab die Scheibe ein Echo wieder. Offensichtlich hatten die Kristalle die Energie der Schallwelle irgendwie gespeichert.

Nähere Untersuchungen ergaben, dass der Effekt nur bei Temperaturen über 75 Grad Celsius auftritt, da das Verhalten der Ladungen im Kristall temperaturabhängig ist. Die Stärke des Echos war außerdem frequenzabhängig.

Was bewirkt aber diesen seltsamen Effekt? Ferroelektrische Materialien sind Piezokristalle. Das heißt, sie verwandeln Vibrationen in elektrische Signale und umgekehrt. Und da Schallwellen nichts anderes sind als starke Vibrationen, vermuten die Wissenschaftler, dass ein Schallpuls im Lithium-Niobat ein elektrisches Feld erzeugt, das seinerseits die Ladungen im Kristall für eine kurze Zeit an den Rand der ferroelektrischen Lagen drängt. Wird das Feld schwächer, schnellen die Ladungen wie ein gedehntes Gummiband wieder in die Ausgangslage zurück und erzeugen dabei eine Schallwelle, die der ursprünglichen gleicht.

McPershon und seine Kollegen vermuten, dass die Lautstärke des Echos Aufschluss über die Anzahl und Größe der elektrisch ausgerichteten Atombereiche und damit die Qualität des ferroelektrischen Materials gibt. Denn je mehr Ladungsträger ausgerichtet werden, desto intensiver ist die Schockwelle beim Zurückschnellen.

Materialforschern wird diese zufällige Entdeckung sehr gelegen kommen. Denn zur Zeit benutzen sie zur Qualitätskontrolle von ferroelektrischen Kristallen Röntgenstrahlung, die aber nicht sehr tief eindringen kann. Schallwellen könnten dagegen in Bereiche vordringen, die bisher den prüfenden Blicken der Forscher verborgen blieben.