Viele Salze bilden nicht nur Kristalle aus regelmäßig angeordneten Ionen, sie können auch ferroelektrisch sein. Bei bestimmten Temperaturen entstehen dann Bereiche in der Kristallstruktur, in denen die Ionenladungen jeweils gleich ausgerichtet sind. Diese aus gleichgerichteten Dipolen bestehenden Domänen reagieren auf Anregung durch elektrische Felder, aber auch mechanischen Druck oder Verformung. Deshalb eignen sich ferroelektrische Kristalle als Material für Sensoren, Kondensatoren oder zukünftig vielleicht auch als Datenspeicher.
Überraschender Wandel in einem ferroelektrischen Kristall
Jetzt haben Physiker in einem solchen ferroelektrischen Kristall ein völlig neues Phänomen nachgewiesen: Die polarisierten Kristalldomänen bildeten spontan ein nie zuvor gesehenes dreidimensionales Webmuster. Entdeckt haben dies Feifei Xin von der Nankai Universität in China und seine Kollegen, als sie eine Probe des ferroelektrischen Materials Kalium-Lithium-Tantalat-Niobat (KTN:Li) langsam abkühlten. Von diesem Perowskit-Material ist bekannt, dass es unterhalb von 18,8 Grad Celsius die für solche Kristalle typischen polarisierten Domänen ausbildet.
Doch was dann geschah, war unerwartet: Im Kristall bildeten sich nicht die erwarteten Polarisationsmuster, sondern es tauchten feine, sich regelmäßig kreuzende Fäden auf. Diese aus gleichgerichteten Dipolen gebildeten Fadenstrukturen lagen an ihren Kreuzungsstellen abwechselnd über- und untereinander – ähnlich wie Fäden in einem gewebten Stoff. „Trotz dieses Webmusters bleibt die Probe ein harter Kristall, der keine messbare Deformation aufweist“, berichtet das Team.
Diese Phasenkontrastaufnahme zeigt die sich überkreuzenden Fäden der neu entdeckten Kristallstruktur. — © Xin et al./ Light: Science & Applications, CC-by 4.0
„Neue Form der Selbstorganisation von Materie“
Damit haben die Physiker eine zuvor unbekannte Struktur entdeckt. „Dieses Gewebe zeigt eine komplexe und koordinierte dreidimensionale Struktur, die noch nie in einem ferroelektrischen Kristall beobachtet wurde“, berichten Xin und sein Team. „Was diese neuartige Struktur so spannend macht, ist, dass sie von selbst auftritt. Sie stellt eine ganz neue Form der Selbstorganisation von Materie dar.“ Im KTN:Li-Kristall bleiben diese neuartigen Webstrukturen erhalten, solange die Temperatur zwischen zwei und acht Grad unter der ferroelektrischen Übergangstemperatur liegt, wie Tests ergaben.
Interessant auch: Die neu entdeckte Webstruktur lässt sich gezielt verändern: Als die Physiker Teile dieses Polarisationsmusters mit einem grünen Laser bestrahlten, lösten sich die komplexe Struktur auf. „Die ursprünglich verwobene Domänenstruktur wandelt sich in eine entwirrte Schichtstruktur um“, berichten Xin und sein Team. Dieses Entwirren ist jedoch lokal begrenzt – es tritt nur im direkten Umfeld des Laserstrahls auf. Wird der Kristall anschließend erwärmt und wieder abgekühlt, ist das durchgehende Webmuster wieder hergestellt.
Diese Modelle zeigen die Dipolausrichtung innerhalb der polarisierten Domänen und wie sie das Webmuster erzeugen. — © Xin et al./ Light: Science & Applications, CC-by 4.0
Ähnliche Strukturen könnten auch in anderen Kristallen vorkommen
Nach Ansicht der Forschenden könnte ihre Entdeckung auf eine ganze Klasse von zuvor unerkannten topologischen Strukturen in Kristallsystemen hindeuten. Ähnliche Webstrukturen aus polarisierten Kristalldomänen könnten in weiteren ferroelektrischen Feststoffen, aber auch in Flüssigkristallen oder Supraleitern existieren. „Der Nachweis legt nahe, dass wir ähnliche topologische Strukturen in anderen Materialien bisher übersehen haben“, sagt Xin. „Die Natur ist offenbar weit kreativer als es unsere Theorien vorhersagen.“
Weil diese verwobenen Strukturen relativ stabil, aber trotzdem gezielt veränderbar sind, könnten sie auch praktisch nutzbar sein. „Solche in Festkörpern eingebettete Webstrukturen ließen sich beispielsweise für topologisch geschützte photonische Datenspeicher oder Energiespeicher nutzen, die – wie unsere Experimente gezeigt haben – optisch ausgelesen und manipuliert werden können“, schreiben die Forschenden.
Quelle: Feifei Xin (Nankai University, Tianjin, China) et al., Light: Science & Applications, 2026; doi: 10.1038/s41377-026-02374-7
