Experimente in der Badewanne erhellen Bewegungen von Elektronen durch Quasikristalle

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Eine Gruppe von Wissenschaftlern der Nationalen Autonomen Universität von Mexiko hat durch ein cleveres Experiment herausgefunden, wie sich Elektronen durch einen Kristall ausbreiten, der nicht streng periodisch aufgebaut ist. Die Forscher stellten dazu stehende Wasserwellen in einer Wanne her, deren Boden mit einem quasiperiodischen Muster versehen war. Die Bewegung eines Elektrons durch einen quasiperiodischen Kristall konnte so durch einen Wellenimpuls simuliert werden, der sich in der modulierten Wasseroberfläche ausbreitete. Darüber berichtet das Fachmagazin Physical Review Letters (Band 90, Referenznummer 114501).

Die Bewegung von Elektronen durch einen perfekten Kristall wie etwa ein Metall lässt sich gewöhnlich mit ebenen Wellen beschreiben, deren Amplitude durch die Periodizität des atomaren Aufbaus des Kristalls moduliert ist. Diese sogenannten Bloch-Wellen sind eines der wichtigsten mathematischen Hilfsmittel bei der Analyse von Halbleiterstrukturen, wie sie etwa in Computerchips vorkommen. Forscher vermuten schon seit einigen Jahren, dass sich Elektronen auch durch sogenannte Quasikristalle, deren atomare Gitterstruktur nicht streng periodisch ist, in Form von Bloch-ähnlichen Wellen ausbreiten sollten.

Eine mexikanische Gruppe um José-Luis Aragón hat nun in einem verblüffenden Experiment die Bewegung eines Wellenimpulses durch einen Quasikristall simuliert. Dazu prägten die Wissenschaftler dem Boden eines seichten Wasserbehälters mittels eines Bohrers ein quasiperiodisches Muster mit einer achteckigen Symmetrie ein. Wenn der Behälter anschließend mit Wasser gefüllt und durch einen Frequenzgeber in vertikale Vibrationen versetzt wurde, so bildeten sich stehende, quasiperiodische Wellen auf der Wasseroberfläche aus.

Die stehenden Wasserwellen glichen gewissermaßen dem elektrischen Potential der Atome eines Quasikristalls. Um nun die Bewegung eines Elektrons durch einen derartigen Kristall zu simulieren, mussten die Forscher nur einen kurzen, horizontalen Wellenpuls über die Wasseroberfläche schicken. Dabei stellte sich heraus, dass sich der Wellenpuls in einer Bloch-ähnlichen Form durch die stehenden Wellen bewegte.

Der Abstand zwischen zwei Wellenbergen ? die sogenannte Wellenlänge ? war dabei allerdings nicht wie bei periodischen Wellen konstant, sondern oszillierte zwischen zwei verschiedenen Werten, die durch die Musterung des Bodens bestimmt waren. Aragón und seine Mitarbeiter konnten somit auf einfache Weise die Bewegung einer ebenen Welle durch ein quasiperiodisches elektrisches Potential simulieren.

Stefan Maier

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