CAU - Universität Kiel
Sie sind hier: StartseitePresseUnizeitNr. 96Seite 4
Nr. 96, 20.10.2018  voriger  Übersicht  weiter  REIHEN  SUCHE  Feedback 

Weltweit gefragte Kristalle aus Kiel

Schichtkristalle von der Förde sind zu einem Markenzeichen in der internationalen Nanoforschung geworden. Auf der ganzen Welt helfen Experimente mit ihnen, besser zu verstehen, wie sich Atome und Elektronen in Materialien verhalten.


Tantaldisulfid ist eine Art »Kristall-Sandwich«: Zwischen zwei Schichten aus Schwefelatomen (rot) liegt eine Schicht des metallischen Tantals (grau). Foto: Matthias Kalläne

Das Material, bei dem Physiker Kai Roßnagel ins Schwärmen gerät, ist ebenso einzigartig wie einfach. »Tantaldisulfid ist ein eigener Kosmos, unglaublich reich an quantenphysikalischen Phänomenen«, so der Professor für Festkörperforschung mit Synchrotronstrahlung an der Universität Kiel und Leitender Wissenschaftler am Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY). »Das bietet uns schier unerschöpf­liche Untersuchungsmöglichkeiten.« Wird der Schichtkristall gekühlt oder Lichtblitzen ausgesetzt, ordnen sich seine Atome und Elektronen neu an. Damit ändern sich auch die Eigenschaften des Materials. Es wird zum Beispiel vom Stromleiter zum Isolator oder umgekehrt.

Das besondere Material züchten Roßnagel und seine Kolleginnen und Kollegen in ihrem Labor in der Leibnizstraße. Experimente mit Tantaldisulfid sollen ihnen helfen zu verstehen, wie die Eigenschaften von Materialien entstehen und sich ändern lassen. Sein einfacher Aufbau kommt ihnen dabei zugute. Er macht es leichter, quantenphysikalische Phänomene zu interpretieren. »Tantaldisulfid eignet sich deshalb hervorragend als Referenzmaterial für die Festkörperphysik«, so Roßnagel. Die gewonnenen Erkenntnisse lassen sich auf andere Materialien übertragen. »Für die Materialphysik ist Tantaldisulfid, was die Drosophila-Fliege für die Biologie ist.«

Kerstin Hanff aus der Arbeitsgruppe um Professor Kai Roßnagel stellt im Kristallzucht-Labor des Physikzentrums den Schichtkristall Tantaldisulfid her. Foto: Julia Siekmann, Uni Kiel

Über 35 Jahre Erfahrung mit der Herstellung und Analyse des Schichtkristalls bündeln sich in Roßnagels Arbeitsgruppe. Dank der sehr guten Qualität beziehen Forschungsgruppen aus der ganzen Welt die Schichtkristalle für ihre Experimente aus Kiel. Durch die Diskussion ihrer Ergebnisse mit den Expertinnen und Experten der CAU sind zahlreiche Forschungskooperationen und wissenschaftliche Artikel entstanden.

Gemeinsam mit den Universitäten Göttingen, Duisburg-Essen und Aarhus (Dänemark) wurden im Verlauf des vergangenen Jahres gleich drei Studien veröffentlicht, die auf Tantaldisulfid aus Kiel basieren. Sie zeigen bisher unbekannte Phänomene in der Bewegung von Elektronen und Atomen. Die Ergebnisse erschienen in einflussreichen Fachzeitschriften und könnten langfristig Aufschluss darüber geben, wie diese Bewegungen gesteuert und somit Eigenschaften von Materialien gezielt kontrolliert werden könnten.

In acht Öfen züchten Prof. Dr. Kai Roßnagel (links), Tim Riedel und Kerstin Hanff die Kristalle mit den besonderen Eigenschaften. Foto: Julia Siekmann

Noch ist Tantaldisulfid ein Material aus der Grundlagenforschung. Doch grundsätzlich sind damit auch neue elektronische Bauteile denkbar. »Letztendlich ist es ein Schalter, mit dem eines Tages ein ultraschneller Transistor möglich wäre«, so Roßnagel. In Zukunft will er die Prozesse in dem Schichtkristall in Echtzeit mit dem Hochleistungsröntgenlaser European XFEL beobachten. »Hier werden wir Atomen zusammen mit den Elektronen gewissermaßen live bei der Arbeit zuschauen. Mit jeder Messmethode machen wir in dem Material neue Entdeckungen.«

Als Sprecher eines internationalen Konsortiums leitet Roßnagel zurzeit den Aufbau eines Experiments für ultraschnelle Spektroskopie im schleswig-holsteinischen Schenefeld. Für 2019 sind die ersten Versuche geplant. Sie sollen dazu beitragen, das Verständnis des Nanokosmos entscheidend zu erweitern.

Julia Siekmann
Eines der Lieblingsmaterialien für Experimente
Tantaldisulfid ist eine Art »Kristall-Sandwich«: Zwischen zwei Lagen aus Schwefelatomen befindet sich eine Schicht metallischen Tantals. Zusammen sind sie gerade einmal einen halben Nanometer dick. Mehrere Stapel übereinander bilden schließlich den Schichtkristall. Mit einem Spezialofen werden die beiden Ausgangsstoffe Tantal und Schwefel unterschiedlich stark erhitzt. In einer Ampulle wachsen dort in sechs bis acht Wochen die mehrschichtigen Kristalle heran. Weltweit dienen sie Forschungsteams als Grundlage für Experimente zu dynamischen Prozessen in Materialien.
Top  voriger  Übersicht  weiter  REIHEN  SUCHE  Feedback 


Zuständig für die Pflege dieser Seite: unizeit-Redaktion   ► unizeit@uni-kiel.de