Wie zarte Berührungen die Wellenausbreitung in Kristallen beeinflussen
Französisch-deutsches Forschungsteam klärt Rolle von Kontaktpunkten bei der Entstehung von Bandlücken in zweidimensionalen Kristallgittern auf
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Der zweidimensionale elektromagnetische Kristall besteht aus einer 7×7-Anordnung von Kupferrohren (Länge ca. 20 cm), die in einem quadratischen Gitter angeordnet sind, wobei die Kontaktleitungen zwischen den Rohren durch eine speziell entwickelte Holzgrundplatte ermöglicht werden. Die Anordnung ist hier im Vorfeld von Übertragungsmessungen zwischen zwei Hornantennen am Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik und Allgemeine Elektrotechnik (Prof. Ralf Zichner) zu sehen. Diese finden in einer anechoischen Kammer statt, einem speziellen Raum, der Messungen bei extrem niedrigen Rauschpegeln ermöglicht. Zusätzlich trugen von der TU Chemnitz die Professur Theoretische Physik und Simulation neuer Materialien (Prof. Angela Thränhardt) sowie das Forschungszentrum MAIN zu der Arbeit bei. Foto: David Röhlig
Ein französisch-deutsches Forschungsteam aus Angehörigen des Instituts FEMTO-ST der Université Marie et Louis Pasteur, Besançon, und der Fakultäten Elektrotechnik und Informationstechnik sowie Naturwissenschaften und des Forschungszentrums für Materialien, Architekturen und Integration von Nanomembranen (MAIN) der Technischen Universität Chemnitz hat neue Erkenntnisse zur Entstehung verbotener Frequenzbereiche in periodischen Festkörperstrukturen aufgedeckt. Die Studie mit dem Titel „Contact points open wide band gaps in all two-dimensional Bravais lattices“ ist Ende April 2026 im Physik-Fachblatt „Physical Review B“ erschienen und liefert einen grundlegenden Beitrag zum Verständnis der Transporteigenschaften elektromagnetischer Wellen durch regelmäßig angeordnete Materialien.
Die Arbeit betrachtet den Einfluss von Kontaktpunkten zwischen regelmäßig im Raum angeordneten Kupferrohren als einzelne Streuer auf die Ausbreitung von Radiowellen und somit auf die Ausprägung verbotener Frequenzbereiche für diese Wellen – sogenannter Bandlücken. Mittels theoretischer Überlegungen, numerischer Simulationen und experimenteller Messungen der Streuung an allen möglichen zweidimensionalen Anordnungen der Rohre – den sogenannten Bravais-Gittern – zeigen die Forschenden, dass auftretende Kontaktpunkte systematisch breitere Bandlücken erzeugen und damit breitbandige Filter für die Hochfrequenzwellen ermöglichen.
Die Ergebnisse belegen, dass die genaue Kenntnis der geometrischen Struktur der Streuer und ihrer exakten Positionierung zueinander, speziell im Fall der Berührung, eine systematische Beeinflussung und Kontrolle der Bandstrukturen ermöglicht und somit hilft, die Ausbreitung von Wellen maßgeschneidert zu steuern. Insbesondere für Anwendungen in der Elektronik und Photonik sind große, einstellbare Bandlücken von entscheidender Bedeutung, da sie das elektronische und optische Verhalten von Bauelementen bestimmen.
Die Studie ordnet sich in die aktuelle Forschung zur Entwicklung von Geometrieeffekten in funktionalen, zweidimensionalen Membranmaterialien ein. Sie steht im Einklang mit Erkenntnissen aus Forschungsarbeiten, in denen die Autoren einen ähnlichen Effekt für Schall nachgewiesen haben. Inspiriert wurde sie durch Arbeiten im Rahmen der TUCculture-Initiative am Stelenkunstwerk „Denk- und Wahrnehmungsmodell für das Phänomen der Farbe“ des Dresdner Künstlers Stefan Nestler (1998) vor dem Hörsaal- und Seminargebäude der TU Chemnitz. Das Kunstwerk stellt die weltweit größte Realisierung eines photonischen Kristalls dar. Mit der Weiterentwicklung des Themengebiets leisten die Autorinnen und Autoren einen positiven Beitrag zur Grundlagenforschung im Bereich der Wellenphysik und geben neue Impulse für die Materialforschung.
Originalveröffentlichung: D. Röhlig, R. Zichner, T. Blaudeck, A. Thränhardt, V. Laude: „Contact points open wide band gaps in all two-dimensional Bravais lattices“, Physical Review B 113, 144391 (2026). URL https://doi.org/10.1103/9ql7-t9rh
Weitere Informationen erteilt Dr. Thomas Blaudeck, Telefon +49 (0)371 531-35610, E-Mail thomas.blaudeck@main.tu-chemnitz.de
Anne Eichhorn
06.05.2026
