Kristalle aus Licht erleichtern Suche nach neuen Werkstoffen

Zürich (Schweiz)/Stanford (USA) – Computersimulationen sind bisher der beste Weg, um die wahrscheinlichen Eigenschaften von neuen Materialien vorherzusagen. Doch auch mit einer geschickten Überlagerung von Laserstrahlen lassen sich Werkstoffe eindrucksvoll simulieren. Dies zeigten nun Physiker von der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Zürich (ETHZ), die mit künstlichen Kristallen aus Licht das elektronische Verhalten des hauchdünnen Kohlenstoffmaterials Graphen nachstellen konnten. Parallel gelang es Forschern der Stanford University, durch die geschickte Anordnung von Kohlenmonoxid-Molekülen ebenfalls die hauchdünnen Graphen-Schichten zu simulieren. Beide Arbeiten wurden nun zeitgleich in der Zeitschrift „Nature“ veröffentlicht.

Aufnahmen eines Elektronenmikroskops, bei dem die Orbitale der Elektronen als Spitzen zu sehen sind.
Elektronische Struktur der Lichtkristalle

Die extrem gute Strom- und Wärmeleitfähigkeit von Graphen machen dieses erst 2004 entdeckte Material interessant beispielsweise für neue Computerchips. Verantwortlich dafür ist die streng symmetrische Anordnung der Kohlenstoffatome in einem Wabengitter und das Verhalten der Elektronen im Graphen. Genau dieses Verhalten konnten nun Tilman Esslinger und seine Kollegen vom ETHZ-Institut für Quantenelektronik erfolgreich simulieren.

Dazu kühlten sie einige hunderttausend Kaliumatome bis nahe an den absoluten Nullpunkt bei minus 273 Grad ab. Über diese Atomwolke legten sie ein optisches Gitter, das sie durch sich kreuzende Laserstrahlen aufbauten. Durch eine komplexe Abstimmung aller Laser gelang ihnen der Nachbau einer wabenförmigen Gitterstruktur wie im Graphen. Dabei verhielten sich die Kaliumatome im Prinzip wie die Elektronen in den dünnen Kohlenstoffschichten. „Solche Strukturen mit Laserlicht zu erschaffen gleicht in etwa der Herausforderung, ein schönes gleichförmiges Muster in einem See zu erzeugen, indem man mehrere Kieselsteine gleichzeitig an die richtige Stelle ins Wasser wirft“, sagt Esslinger.

Beschleunigte sein Team nun die Kalium-Atome im Lichtkristall mithilfe eines magnetischen Felds, so imitierten diese die Elektronen im Graphen. Und nur kleine Änderungen bei der Laserregulierung reichten aus, um die Wabenstruktur gezielt zu verändern und damit auch ihre elektronischen Eigenschaften. Daraus lässt sich nun auf die Eigenschaften von veränderten Graphen-Schichten schließen, die es in der Realität noch gar nicht gibt.

Das Team um Kenjiro K. Gomes von der Stanford University schlug einen anderen Weg ein, um Änderungen in der Graphenstruktur zu simulieren. Die Forscher deponierten tiefgekühlte Kohlenmonoxid-Moleküle (CO) in einer Ebene auf einer Kupferoberfläche und erhielten ebenfalls eine Graphen-artige Wabenstruktur. Im Unterschied zu den fest gebundenen Kohlenstoffatomen im Graphen konnten sie die CO-Moleküle verschieben und so Strukturänderungen und deren Auswirkungen auf die elektronischen Eigenschaften gezielt untersuchen.

Orientieren sich beide Methoden an Vorhersagen für strukturell veränderte Graphen-Schichten, kann sich Esslinger vorstellen, mit seinen Lichtkristallen auch andere Materialien zu simulieren, bevor diese überhaupt produziert wurden. „Auch dreidimensionale Lichtgitter sind gut vorstellbar“, sagt Esslinger. Und für einfache kubische Gitter habe das schon funktioniert. Gelingt der Schritt zu komplexeren Simulationen, ließen sich die Eigenschaften anderer Werkstoffe, beispielsweise photonischer Kristalle, vor ihrer aufwendigen Herstellung vorhersagen.