Vertauschte 'Kacheln'

News: Vertauschte 'Kacheln'

Quasikristalle sind zwar sehr regelmäßig, aber ihre Struktur wiederholt sich nie ganz - eben nur fast wie bei einem echten Kristall. Gefangen in einer günstigen, aber nicht idealen, Anordnung vollziehen sie bei hohen Temperaturen kleine interne Verschiebungen von Atomen. Japanische Wissenschaftler haben diese einzigartigen Bewegungen jetzt erstmals direkt nachgewiesen.

Quasikristalle haben keine einfache Einheitszelle, die sich in alle Richtungen periodisch wiederholt und so den Raum ausfüllt. Trotzdem weisen sie lokale Muster auf, die in fast regelmäßigen Abständen auftreten. Zudem sind sie im kleinen Maßstab derartig rotationssymmetrisch, zum Beispiel fünfeckig, wie es in einem normalen Kristall nicht möglich wäre. Am besten bekannt sind bisher so genannte Penrose-Muster, eine Kombination verschiedener Rhomben, die eine unendliche Fläche mit ineinander greifenden komplizierten Mustern bedecken.

Nur in solchen Quasikristallen mit ihren fast regelmäßigen Strukturen können Phasonen auftreten. In zehneckigen Gebilden zum Beispiel sind die Atomflächen mit mehr als einer Form gekachelt. Daher können Atome zwischen zwei nahe gelegenen Positionen hin- und herspringen, so dass einzelne "Kacheln" die Plätze tauschen. Das bedeutet, dass der Quasikristall einer bleibt, aber danach keine ideale Struktur mehr besitzt. Da es nicht möglich ist, in der Realität einen idealen Quasikristall zu züchten, gibt es in jedem dieser Gebilde Phasonen. Keiichi Edagawa und seine Mitarbeiter von der University of Tokyo haben diese Fluktuationen, nun erstmals auf Film gebannt. Dazu haben sie eine Legierung aus Aluminium, Kupfer und Kobalt auf 850 Grad Celsius erhitzt und sie währenddessen durch ein hoch auflösendes Transmissions-Elektronenmikroskop beobachtet. "Es ist nicht einfach, bei so hohen Temperaturen hoch aufgelöste Aufnahmen zu machen", erklärt Edagawa. Die Bilderserie zeigt jedoch deutlich einen einzelnen weißen Punkt, der in 115 Sekunden von einer Anordnung in die andere und wieder zurück springt. Obwohl dieser weiße Punkt eine ganze Säule aus Atomen entlang der Achse des Elektronen-Strahls aus dem Mikroskop repräsentiert, stimmt seine Bewegung mit der mathematischen Beschreibung von Phasonen überein (Physical Review Letters vom 21. August 2000, Abstract).

Es gibt zwei verschiedene Theorien, um die Stabilität der Strukturen zu erklären. Das energetische Modell besagt, dass sich quasikristalline genau so wie normale kristalline Strukturen bilden, um die Energie zu minimieren. Nach dem Modell des Random Tilings hingegen bringen Phasonen Quasikristalle dazu, kontinuierlich zwischen konkurrierenden Strukturen gleicher Energie, zum Beispiel verschiedenen Zuständen mit gleicher Anzahl an Phasonen, zu schwanken. Ihr echter Grundzustand wäre ein herkömmlicher Kristall – wenn er gebildet werden könnte. Das Problem dabei ist, dass "man aus dem Gleichgewicht gerät", wenn man versucht, einen Quasikristall zu kühlen, sagt Michael Widom von der Carnegie Mellon University in Pittsburgh. Nach beiden Erklärungsmodellen sollten Phasonen bei hohen Temperaturen auftreten. Erst wenn Forscher bei noch viel mehr Phasonen die Temperaturabhängigkeit untersucht haben, werden sie zwischen den Theorien entscheiden können.

"Das öffnet die Tür zu einer Reihe detaillierter Tests der Dynamik", ordnet Chris Henley von der Cornell University in Ithaca, New York, das Experiment ein. Paul Steinhardt von der Princeton University ist ebenfalls beeindruckt: "Eine wichtige Eigenschaft von Quasikristallen ist jetzt in Aktion gesehen worden." Widom bemerkt, dass die Fähigkeit, einen Quasikristall zu kühlen, gleichzeitig die Phasonen zu beobachten und zu verifizieren, dass sie sich im Gleichgewicht befinden, "eine der großartigen Hoffnungen von Edagawas Experiment" ist.

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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