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News: Die Ruhe der verbotenen Zonen

Die hohen Betonwände, die so viele unserer städtischen Fernverkehrsstraßen umziehen, tragen kaum dazu bei, daß der Lärm auf der Straße bleibt - und häßlich sind sie obendrein. Jetzt haben Physiker endlich eine viel wirksamere und elegantere Methode zur Lärmbekämpfung erfunden: eine Anordnung hölzerner oder stählerner Zylinder, die von einem Rahmen herabhängen. Die Struktur sieht aus wie ein gewaltiges Windspiel und kann Schallwellen bestimmter Frequenzen an der Ausbreitung hindern. Die besondere Zusammenstellung der Zylinder bildet in ihrem Innern eine sogenannte Bandlücke aus - eine Zone verbotener Energie, die für bestimmte Wellen völlig unzugänglich ist.
Elektronen können in Atomen, Molekülen und Festkörpern nur bestimmte Energieniveaus einnehmen, wobei gemäß dem Pauli-Verbot keine zwei Elektronen exakt den gleichen Platz besetzen dürfen. Wenn sehr viele Atome zusammenkommen, liegen die einzelnen erlaubten Energieniveaus daher sehr eng beieinander, so daß sie fast einen kontinuierlichen Bereich belegen, ein sogenanntes Energieband. Die einzelnen Energiebänder in einem Festkörper sind durch verbotene Zonen oder Bänder getrennt. Es gibt also in dem gesamten Körper kein Elektron, das genau so viel Energie besitzt, daß es in diese Zone gehört. Entweder haben die Elektronen mehr oder weniger Energie.

Die verbotenen Bänder werden zum Beispiel in der Halbleitertechnologie genutzt, indem durch Dotierung mit Ionen Energieniveaus für Elektronen gesperrt werden. In den späteren 80er Jahren zeigten Physiker, daß einige Materialien ähnliche Regionen auch für das Licht unzugänglich machen. So wird ein Material wie Gallium für Licht einiger weniger Frequenzbereiche undurchlässig.

Jose Sánchez-Dehesa von der Universidad Autonoma de Madrid und seine Kollegen untersuchen, ob die Theorie der photonischen Bandlücken auch auf Schallwellen übertragbar ist. Ihre Inspiration fanden die Wissenschaftler übrigens in einem Kunstmuseum in Madrid: Eine Skulptur aus vertikalen Stangen verschiedener Länge würde laut Theorie die richtige Form und Größe haben, um den Schall abzublocken. Die ersten Vortests im Museum selbst waren ermutigend, und so fertigten die Forscher dann ihre eigenen Skulpturen im Labor an. Dazu ordneten sie bis zu 500 hölzerne und stählerne Stangen von etwa einem Meter Länge als Würfel oder Dreieck an. Dann plazierten sie einen Lautsprecher auf einer Seite der Anordnung und einen Empfänger auf der anderen und maßen, wieviel Schall den Aufbau durchdrang. Genau wie von der Theorie vorhergesagt dämpfte die Skulptur Geräusche bei ungefähr 1500 Hertz um ganze 20 Dezibel. Überraschenderweise blockierte die dreieckige Skulptur jedoch eine Reihe von Frequenzen, die der Theorie nach hätten frei passieren müssen. Das Team bezeichnete diese Frequenzen als "deaf bands" – ein Effekt, der noch nie bei Schallwellen beobachtet wurde (Physical Review Letters vom 15. Juni 1998).

Ähnlich geformte Skulpturen könnten an Fernverkehrsstraßen das laute Tosen des Verkehrs effektiver verhindern als Betonplatten, die Schallwellen nur dämpfen. Zum gegenwärtigen Zeitpunkt sind die Wissenschaftler aber vor allem begeistert, völliges Neuland betreten zu haben. "Zum ersten Mal hat jemand eine Bandlücke bei akustischen Wellen gesehen", sagt Mihail Sigalas, Physiker des Ames Laboratory in Iowa, der gegenwärtig an Berechnungen arbeitet, mit denen sich beschreiben läßt, was passiert, wenn ein paar Zylinder aus der Skulptur entfernt werden. Nach seiner Aussage könnte die Anordnung dann als eine Art Filter verwendet werden, die selektiv nur eine der Frequenzen passieren läßt.

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