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altWas hat die Festkörperphysik möglicherweise mit unserem Alltag zu tun?
Diese Frage mag sich die kleine Schar interessierter Zuhörer gestellt haben, die sich trotz des schönen Sommerwetters an diesem Abend in einem Klassenraum des TMG zu einem "Schnupperkurs in Festkörperphysik" eingefunden hatten...

 

Um diese naheliegende Frage zu beantworten, hatte
der Referent, Herr Buth vom Karlsruher Institut für Technologie, ein
Nobelpreisträger-Quiz vorbereitet und als Anschauungsmaterial einige
technische Gegenstände mitgebracht, die heute zu unserem Alltag
gehören, wie etwa Handy, Transistorradio, Digitalkamera, CD-Player und
Computerfestplatte. In jedem dieser Gegenstände, so behauptete Herr
Buth, stecke eine physikalische Idee, die einen Nobelpreis wert
gewesen sei. Im Stile von "Wer wird Millionär" ließ er nun sein
Publikum raten, wessen Idee in der jeweiligen Anwendung steckt. Um es
nicht zu leicht zu machen, hatte er außerdem ein paar fiese Fallen
eingebaut. So gruppierte er John Bardeen zusammen mit drei anderen
Pionieren der Supraleitung. Richtig ist: Bardeen erhielt seinen
Nobelpreis zusammen mit Cooper und Schrieffer für die Theorie der
Supraleitung. Die steckt aber in keinem Alltagsgegenstand. Aber
Bardeen erhielt einen weiteren Nobelpreis, zusammen mit Brattain und
Shockley, für die Entdeckung des Transistoreffekts, und den nutzt
heute beispielweise jedes Radio.

Aber man dürfe die Forschung nicht allein von ihrer Anwendung her
rechtfertigen, warnte der Referent. Was die meisten Forscher antreibe,
sei viel mehr die Suche nach dem "Heureka"-Moment: Etwas zu finden, was
noch niemand gefunden hat, oder etwas zu denken, was noch keiner gedacht
hat. Als Beispiel führte er die Entdeckung der Quasikristalle durch
Daniel Shechtman an, die im vergangenen Jahr mit dem Nobelpreis für
Chemie ausgezeichnet wurde. Was war der Clou? Seit Keplers Zeiten galt
als gesichertes Wissen, mathematisch wohl begründet, dass es in
Kristallen keine fünfzählige Symmetrieachse geben kann. Was bedeutet
das? Es gibt keine periodische Anordnung von Atomen oder Molekülen,
die, um 72° (also 1/5 Vollkreis) rotiert, auf sich selbst abgebildet
wird. Ob eine Substanz kristallin ist, und wenn es der Fall ist auch
ihre Symmetrieeigenschaften, kann man mit Hilfe von (Röntgen- oder
Elektronen-) Beugungsaufnahmen feststellen. Das Prinzip der (Licht-)
Beugung demonstrierte Herr Buth mit Hilfe eines Laserpointers und den
regelmäßig angeordneten Vertiefungen einer CD. Schechtman fand nun in
den intermetallischen Verbindungen, deren Struktur er untersuchte,
sowohl Hinweise auf eine regelmäßige Anordnung der Atome, als auch,
ganz unzweideutig, eine fünfzählige Symmetrieachse. Damit stieß er
natürlich bei seinen Fachkollegen auf heftigen Widerstand. Von einigen
bekam der die "International Tables for Crystallography" (das ist so
eine Art Weltatlas aller denkmöglichen Kristallstrukturen in acht
Bänden, jedes von Telefonbuchstärke) links und rechts um die Ohren
geschlagen - natürlich nur bildlich gesprochen. Der zweifache
Nobelpreisträger Linus Pauling meinte über Shechtmans Forschung
abfällig: "Es gibt keine Quasikristalle, nur Quasiwissenschaftler". Zu
schade, dass er die Verleihung des Nobelpreises an Shechtman nicht
mehr erlebt hat. Die Auflösung des Rästels der Struktur der
Quasikristalle liegt in der sogenannten Penrose-Parkettierung (siehe
Abbildung): Mit zwei unterschiedlichen Strukturelementen statt eines
einzigen kann man eine Fläche lückenlos so überdecken, dass die
fünfzählige Symmetrie erhalten bleibt.

Obwohl die Röntgenbeugung bereits ziemlich genau 100 Jahre alt ist
(entdeckt 1912 durch von Laue, Friedrich und Knipping), ist sie auch
heute noch eines der Arbeitspferde des Festkörperphysikers. Die
Instrumente dafür haben sich allerdings seit jenen Tagen ein wenig
weiterentwickelt. Dies zeigte Herr Buth am Beispiel der
Synchrotronstrahlungsquelle "ANKA", an der sich sein Arbeitsplatz
befindet. Hierbei handelt es sich um einen Ringbeschleuniger mit einem
Umfang von 110 Metern, von dem mehrere Strahlrohre für verschiedene
Analytik- und Fertigungsverfahren abzweigen, drei davon für die
Röntgenbeugung. Herr Buth zeigte Fotos von der Strahlrohroptik, einer
komplexen Anordnung von Vakuumrohren und Edelstahltanks, und von den
Diffraktometern, mit denen die Beugungsaufnahmen gewonnen
werden. Solche Anlagen sind zwar verhältnismäßig teuer, bieten aber
gegenüber den Röntgenröhren aus Laues Zeit einige Vorteile, von denen
einer der wichtigsten die deutlich höhere Intensität ist. Eine
Aufnahme, die an der Röntgenröhre eine Minute Belichtungszeit braucht,
ist an einer Synchrotronquelle in unter einer Sekunde machbar - für
die Bestimmung einer Stuktur, also der räumlichen Anordnung der Atome
in einem Molekül, braucht man üblicherweise mehrere hundert
Aufnahmen. Strukturen von sehr kleinen oder schwach beugenden Proben
lassen sich oft nur an solchen Synchrotronquellen aufklären.

Als ein Anwendungsbeispiel zeigte Herr Buth die Struktur eines
Zink-Porphyrinmoleküls. Es handelt sich hierbei um eine synthetisch
hergestellte Verbindung, die dem natürlichen Chlorophyll
"nachempfunden" ist. Ziel dieses Forschungsvorhabens ist die
Herstellung einer synthetischen Verbindung, die in der Lage ist,
Photosynthese zu machen, also mittels Sonnenenergie Enegieträger zu
gewinnen, mithin nichts weniger als die Energieprobleme der Welt zu
lösen. Ein weiteres Anwendungsbeispiel sind Untersuchungen an
Schichten und Schichtsystemen von Indium-Gallium-Nitrid. Ziel ist hier
das bessere Verständnis der Wachstumsvorgänge und die Optimierung der
Eigenschaften dieser Schichten, die in blau-violett strahlenden
Laserdioden zum Einsatz kommen. Über die "Blu-ray Disc" ist hier
wieder die Brücke zur Anwendung geschlagen.

Dass die Zuhörer während des Vortrags ganz bei der Sache waren, konnte
man nicht allein an den Zwischenfragen feststellen, sondern auch an
der angeregten Fragerunde im Anschluss an den Vortrag. Beispielweise
wollten sie wissen, wie man denn nun von diesen recht abstrakten
Beugungsbildern auf die Struktur eines Moleküls schließt. Herr Buth
erklärte, dass man von der Lage der Reflexe (der hellen Punkte auf dem
Detektor) auf Geometrie und Symmetrie der Elementarzelle (des
Grundbausteins eines Kristalls) schließen könne, während das relative
Verhältnis der Reflexintensitäten (Helligkeiten) mit der Anordnung der
Atome in dem Molekül über eine komplexe mathematische Formel in
Zusammenhang steht, die heute natürlich mit Hilfe von Computern
ausgewertet wird. Die aufmerksamen Fragen zeigten, dass es Herrn Buth
gelungen war, seinen Zuhörern die Arbeitswelt eines
Festkörperphysikers ein Stück näher zu bringen, was ja auch das Ziel
dieses Vortrags gewesen war.

 

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