Rigi1998

Predictability of physical properties of crystals

Tagungsbericht

(Rigi, 21.-24.5.1998)

Grundlegend für die Kristallographie ist die Kenntnis der Kristallstruktur und der mit ihr verbundenen physikalischen Eigenschaften der Kristalle. Es ist daher eine Herausforderung allein durch Kenntnis des chemischen Bestandes mittels geeigneten Rechenmethoden sowohl die Struktur als auch die Eigenschaften vorhersagen zu können. In der Biologie erfolgt dies mittels des sogenannten “Computer-Modelling” mit recht gutem Erfolg für Verbindungen aus C, N, O, H. Warum soll dies nicht auch für Verbindungen mit anderen Elementen – im Idealfall für das gesamte Periodensystem – möglich sein?

Dies war eine der Grundfragen der Tagung des Arbeitskreises “Kristallphysik”, die in diesem Jahr auf der Rigi stattfand.

Es begann mit dem Vortrag von S. Haussühl über die empirischen Regeln zur Interpretation der elastischen Konstanten, mit dem er implizit auch die Anforderungen an die Theoretiker vorgab, nicht nur Berechnungen bei T=0K durchzuführen, sondern auch die Temperaturabhängigkeit zu berücksichtigen. Dies wurde nochmal unterstrichen in den Ausführungen von W. Reichardt über die Gitterschwingungen in Festkörpern, wo die Zustandsdichte die alles entscheidende Größe darstellt.

Die Antwort der Theoretiker war überraschend und überzeugend. J.C. Schön (Energy Landscape), M. Catti (Hartree-Fock) und K. Schwarz (Dichtefunktional-Theorie) führten aus, daß im Prinzip die ab initio Methoden in der Lage sind Kristallstrukturen mit bis zu 80 Atomen in der Einheitszelle bei T=0K zu berechnen. Je nach Wahl des Basissatzes liegt die Übereinstimmung zwischen Rechnung und gemessener Struktur bei ca. 2% Differenz in den Atomabständen. Bei den physikalischen Eigenschaften sollte man vorab klären, was man mit welcher Genauigkeit benötigt, da sehr viele Eigenschaften mit empirischen Potentialen oder Pseudopotentialen sehr genau vorhergesagt werden können, wie J. Gale (empirische Potentiale) und B. Winkler (Vergleich von Gitterenergieberechnungen) an Hand ausgewählter Beispiele ausführten. Allerdings ist für alle Rechenmethoden die Einführung der Temperaturabhängigkeit ein sehr zeitaufwendiges Unternehmen. Daß jedoch solche Rechnungen nicht mehr nur einigen Spezialisten mit Großrechnern vorbehalten sind, wurde während der Tagung mit einer Workstation vorgeführt, mit der über Nacht einfachere Systeme berechnet wurden. Zudem teilte K. Schwarz mit, daß sein Wien97 Programmpaket auf jedem Standard-PC lauffähig sei, so daß dieses Programm für die Ausbildung von Studenten genutzt und die kommende Generation frühzeitig in diesen enorm wachsenden neuen Wissenszweig eingführt werden kann.

Daß aber auch zutreffende Vorhersagen ohne ab initio Methoden möglich sind, demonstrierten J. Hulliger, der ein Prinzip zur Herstellung polarer Molekülkristalle vorstellte, ferner H. Küppers, der den Zusammenhang von Struktur und Morphologie darlegte, sowie J. Schreuer, in dessen Beitrag der quadratische elektrostriktive Effekt und seine Korrelation mit der Anharmonizität des Gitterpotentials aufgezeigt wurde, und W. Kaminsky, der die Berechnung optischer Eigenschaften (Polarisierbarkeit, Brechwert, optische Aktivität, etc.) mittels elementarer Potentialansätze vorführte. Sogar dir Bruchpropagation in Quasikristallen und ihr Zusammenhang mit Phasonen konnte von H.R. Trebin als Video-Simulation vorgeführt werden.

Für diese kompakte Darstellung der gegengwärtigen Entwicklungen im Bereich der Kristallphysik war die Örtlichkeit inspirierend und anregend gewählt. Dem Organisator J. Schreuer sei an dieser Stelle ganz herzlich gedankt. Nicht unerwähnt bleiben soll die großzügige finanzielle Unterstützung durch die Eidgenössische Technische Hochschule in Zürich, das Laboratorium für Kristallographie der ETH, der deutschen Mineralogischen Gesellschaft sowie der Deutschen Gesellschaft für Kristallographie.

Die Proceedings des Rigi-Workshops sind inzwischen in der Reihe “Berichte aus Arbeitskreisen der DGK” erschienen. Weitere Informationen und Bestellhinweise finden sich auf der Home Page der DGK.

Theo Woike, Köln