Dreiecke, Quadrate und Rhomben: Klaus Meinel, Stefan Förster und Wolf Widdra legen die zwölfeckigen Quasikristalle im Modell zusammen. (Foto: Maike Glöckner)
Dreiecke, Quadrate und Rhomben: Klaus Meinel, Stefan Förster und Wolf Widdra legen die zwölfeckigen Quasikristalle im Modell zusammen. (Foto: Maike Glöckner)

Ein ungewöhnliches Bauprinzip

Eher zufällig macht Dr. Stefan Förster eine verblüffende Entdeckung unter seinem Mikroskop: Auf einem dünnen Film aus Bariumtitanat fällt ihm ein zwölfeckiges Muster auf, für das es keine herkömmliche Erklärung gibt. Mit seinen Kollegen kann er das Rätsel lösen und eine neue Klasse der Quasikristalle nachweisen.

Grüne, blaue und rote Kabel. Eine sorgfältig in Alufolie eingewickelte Maschine. Dicke und dünne Schläuche führen von großen Fässern in die seltsam anmutende Apparatur mit Pumpen, Drehhebeln und Mikroskop. Stirnrunzelnd blickt Dr. Stefan Förster 2011 durch dieses Mikroskop im Versuchsraum der Physik. „Da war diese verblüffende Struktur, die ich nicht erwartet hatte. Einfach gebaut und doch nicht zu entschlüsseln“, berichtet Förster. Der Physiker hat für seine Doktorarbeit Grenzflächen verschiedener Materialen untersucht. In der Apparatur, die ein Vakuum mit hoher Qualität erzeugt, bringt er wenige Atomlagen der Elemente Barium, Titan und Sauerstoff auf eine Platinfläche auf. Durch ständiges Heizen entsteht ein dünner, glatter Film – das Oxid Bariumtitanat. „Um zu schauen, wie lange dieser Film stabil bleibt, heizt man immer weiter. Und nach dem Zerfallen des Films war da plötzlich diese neue zweidimensionale Struktur.“

Es war kein quadratisches oder sechszähliges Muster, das man sonst bei kristallinem Bariumtitanat beobachtet. Stattdessen wurden Zwölfecke sichtbar, die sich aus Dreiecken, Quadraten und Rhomben zusammensetzen. „Am Anfang schien die Auflösung des Musters noch ganz einfach, aber als alle herkömmlichen Erklärungen nicht zutrafen, wurde es spannend. Ich wollte die Struktur unbedingt knacken“, erzählt Förster. Und sein Doktorvater Prof. Dr. Wolf Widdra ergänzt: „Ich habe Herrn Förster ein bisschen herausgefordert und zu ihm gesagt, dass er mir nicht erzählen könne, dass er das nicht herausfindet. Die Struktur war doch so simpel.“

Der entscheidende Hinweis kam von Försters Kollegen Dr. Klaus Meinel. „Er meinte, dass es das schon einmal gab, dass alle üblichen Erklärungen nicht funktionierten. Das war vor 30 Jahren, als Daniel Shechtmann die Quasikristalle entdeckte“, so Widdra, der mit seiner Gruppe in den Sonderforschungsbereich „Funktionalität oxidischer Grenzflächen“ eingebunden ist. „In Festkörpern wiederholt sich eine geometrische Struktur – zum Beispiel ein Würfel – in allen drei Raumrichtungen immer wieder. Jede Teilstruktur hat also eine identische Umgebung. Das nennt man ein periodisches Gitter. In Quasikristallen gibt es ebenfalls eine feste Bauvorschrift, wie die verschiedenen geometrischen Elemente anzuordnen sind.“ Jedoch findet man an keinem Ort im Kristall eine identische Umgebung.

„Wenn das auch auf unsere ultradünne Oxidschicht zutreffen sollte, wäre das die Sensation“, so Förster. Und tatsächlich: die Zwölfecke aus Dreiecken, Quadraten und Rhomben waren nicht von identischen Zwölfecken umgeben. Das Bariumtitanat zeigte die für Quasikristalle typische geordnete, aber aperiodische Struktur. Ein Durchbruch: Noch nie zuvor hatte man so etwas in einem Oxid und in einer zweidimensionalen Schicht beobachtet.

„Zuerst haben wir eine Expertin auf dem Gebiet der Quasikristalle, Patricia A. Thiel von der Iowa State University, davon erzählt. Sie war absolut begeistert und hat uns angespornt, eine Veröffentlichung im renommierten Fachmagazin Nature zu versuchen“, so Widdra. Auf einer Konferenz im Sommer 2013 konnte Förster die Experten, unter ihnen der Nobelpreisträger Shechtmann, mit seinen Ergebnissen begeistern. „Noch bevor die Konferenz zu Ende war, hatte ein Teilnehmer seine Kollegen informiert und erste Ideen zur theoretischen Aufklärung der Struktur ausgetauscht.“ Im Oktober 2013 erschien der Artikel der halleschen Forschergruppe in „Nature“.

Zwischen der Entdeckung des ungewöhnlichen Musters im Oxid, dem Finden der Erklärung und der Publikation lagen zwei Jahre. In dieser Zeit perfektionierten die Wissenschaftler die Herstellung des Bariumtitanat-Films. „Das Besondere an diesen Quasikristallen könnte in ihrer Härte liegen. Auch durch eine reduzierte Reibung und Haftung könnte das Material für diverses Beschichten geeignet sein. Die genauen physikalischen Eigenschaften müssen allerdings noch erforscht werden“, so Förster. Mit Hilfe des veröffentlichten Rezepts zur Herstellung des Bariumtitanat-Films können nun Wissenschaftler aus der ganzen Welt an den Oxid-Quasikristallen forschen. Darunter werden nicht nur Physiker sein, auch Chemiker und Mathematiker wollen das Bauprinzip verstehen. „Dabei ist Bariumtitanat eines der am besten untersuchten Materialen der Welt. Aber damit konnte niemand rechnen!“

Das Bariumtitanat zeigte die für Quasikristalle typische geordnete, aber aperiodische Struktur. (Grafik: Stefan Förster)

Im Mittelpunkt der eigenen Arbeiten stehen jetzt Untersuchungen zur Schwingung der Atome, zu elektronischen und mechanischen Eigenschaften. Auch die Suche nach Quasikristallen in anderen Oxiden geht weiter. „Zuerst haben wir versucht, das Platin durch Gold zu ersetzen. Das hat noch nicht geklappt. Aber es gibt so viele Möglichkeiten“, so Widdra. Möglichkeiten, die es systematisch zu erforschen gilt. Anders als bei der Entdeckung der zweidimensionalen Quasikristalle, wie Förster erzählt: „Das war reiner Zufall. Und es war ein großes Glück, dass ich mir die Zeit nehmen konnte, dieser Randbeobachtung nachzugehen. Ich durfte meiner Neugier bis zum Schluss folgen. Nur so kann man neue Sachen entdecken.“ Sarah Huke

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