Nie gesehene Materiephase: Silber-Nanopartikel zeigen Quanteneffekte bei Raumtemperatur

Kann man einen flüchtigen Zwischenzustand der Materie einfangen und für Quantentechnologien nutzen?

Viele Metalle ordnen ihre Atome in einer von zwei dichtesten Kugelpackungen an: kubisch-flächenzentriert (fcc) oder kubisch-raumzentriert (bcc). Eisen etwa wechselt beim Erhitzen auf 912 Grad Celsius von bcc zu fcc. Was dabei im atomaren Maßstab geschieht, blieb lange verborgen - die Zwischenstufen sind so instabil, dass sie sich der direkten Beobachtung entziehen. Ein Team um Ou Chen von der Brown University und Sharon Glotzer von der University of Michigan hat nun genau diese flüchtigen Strukturen mit einer ausgeklügelten Nanotechnologie stabilisiert und dabei eine überraschende Entdeckung gemacht: Das künstliche Material zeigt bei Raumtemperatur eine extrem starke Kopplung zwischen Licht und Materie, wie sie sonst nur unter tiefsten Temperaturen auftritt. Die Arbeit, veröffentlicht in Science, öffnet ein neues Kapitel für das Design von Quantenmaterialien.

Das Rätsel der Kristallumwandlungen

In einem fcc-Gitter besetzen Atome die Ecken eines Würfels und die Mittelpunkte aller Seitenflächen - die dichtestmögliche Packung. Im bcc-Gitter sitzt dagegen nur ein zusätzliches Atom im Zentrum des Würfels, die Struktur ist etwas weniger dicht. Der Wechsel zwischen diesen beiden Anordnungen, eine sogenannte martensitische Umwandlung, ist für Materialwissenschaftler von grundlegender Bedeutung, weil er die mechanischen und elektronischen Eigenschaften eines Metalls drastisch verändern kann. Doch wie genau die Atome von einer Ordnung in die andere gleiten, war jahrzehntelang Gegenstand theoretischer Modelle. Eines der einflussreichsten, der Nishiyama-Wassermann-Pfad, sagt eine Abfolge kurzlebiger Zwischenphasen voraus, die während der Umwandlung durchlaufen werden. Weil diese Phasen nur für winzige Sekundenbruchteile existieren, konnte sie bislang niemand isolieren.

„Materialwissenschaftler beschäftigen sich schon lange damit, den Anteil von fcc und bcc in ihren Metallen zu kontrollieren, aber die Übergänge zwischen diesen Phasen sind so instabil, dass sie kaum zu untersuchen sind“, erklärt Tim Moore, Co-Autor und Assistenzwissenschaftler in Glotzers Gruppe. „Diese Strukturen nun beobachten zu können, ist ein fundamentaler Durchbruch - und gibt uns viel mehr Kontrolle über das Engineering von Nanomaterialien.“

Maßgeschneiderte Nanopartikel als LEGO-Steine

Der Schlüssel zum Erfolg lag in der Synthese winziger Silberpartikel mit einer ganz bestimmten Geometrie. Die Forscher stellten sogenannte Mecons her - abgestumpfte Oktaeder, also 14-flächige Polyeder, die wie ein Diamant mit abgeschnittenen Ecken aussehen. Diese Form liegt zwischen einer Kugel und einem Würfel, zwei Gestalten, die auf natürliche Weise sehr unterschiedliche Packungen bevorzugen. „Unsere Arbeit ähnelt ein bisschen dem Spielen mit LEGO-Steinen“, sagt Ou Chen, Chemieprofessor in Brown und korrespondierender Autor. „Wir synthetisieren einzigartige nanoskalige Bausteine und stapeln sie zu interessanten Strukturen. In diesem Fall konnten wir die theoretisch vorhergesagten Übergangsstrukturen stabilisieren und wichtige quantenoptische Eigenschaften nachweisen.“

Durch gezielte Variation der Heizbedingungen während der Synthese gelang es dem Team um Erstautor Yasutaka Nagaoka, Mecons mit unterschiedlicher Rundheit und unterschiedlich stark ausgeprägten würfelartigen Facetten zu erzeugen. Diese Partikel wurden anschließend mit langen Molekülketten beschichtet, die wie flexible „Haare“ wirken und den Partikeln erlauben, sich in geordnete Überstrukturen, sogenannte Nanopartikel-Übergitter, zusammenzulagern.

Stabilisierung durch molekulare Härchen

Die Computersimulationen der Michigan-Gruppe um Sharon Glotzer zeigten, dass diese molekularen Beschichtungen eine entscheidende Rolle spielen. Sie sind flexibel genug, um den Partikeln mehr Freiheit zu geben, sich zu verschieben, passen aber gleichzeitig so gut zusammen, dass die Teilchen ineinandergreifen können. „Man kann sie sich wie haarige Partikel vorstellen“, sagt Moore. „Die Haare sind so beweglich, dass die Partikel mehr Spielraum haben, sich zu verlagern, aber sie fügen sich auch schön aneinander, sodass die Partikel miteinander verzahnen.“ Genau dieses Zusammenspiel stabilisierte Anordnungen, die exakt den vom Nishiyama-Wassermann-Pfad vorhergesagten Übergangsphasen entsprechen - ein Triumph für die Theorie und ein Beweis dafür, dass sich selbst flüchtigste Materiezustände mit dem richtigen Baukasten einfangen lassen.

Quantenoptische Überraschung bei Raumtemperatur

Doch die Silber-Übergitter offenbarten noch eine zweite, völlig unerwartete Eigenschaft. Als die Forscher sie mit Licht bestrahlten, beobachteten sie Anzeichen einer extrem starken Licht-Materie-Kopplung. Dabei geraten die Elektronen im Silber in perfekten Gleichklang mit den Lichtwellen und werden quantenmechanisch verschränkt - ein Phänomen, das normalerweise nur bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt auftritt. Das neue Material zeigt dieses Verhalten hingegen bei Raumtemperatur.

Diese sogenannte deep-strong coupling-Regime ist für die Quanteninformationsverarbeitung hochinteressant, weil es erlaubt, Quantenzustände ohne aufwendige Kühlung zu manipulieren. „Immer wenn man eine neue Phase der Materie identifiziert, werden neue Anwendungen entstehen“, betont Chen. Die Beobachtung könnte den Weg zu neuartigen Bauelementen für Quantencomputer, hochempfindliche Sensoren oder verlustarme optische Schaltkreise ebnen.

Was kommt als Nächstes?

Die Studie ist mehr als eine einzelne Materialentdeckung. Sie demonstriert eine universelle Strategie: Indem man die Form und die Oberflächenchemie von Nanopartikeln maßschneidert, lassen sich nahezu beliebige Kristallstrukturen von Grund auf designen. „Wir können jetzt darüber nachdenken, Materialien mit ganz neuen, vorhersagbaren Eigenschaften zu bauen“, sagt Moore. Die Brown-Forscher arbeiten bereits daran, die Methode auf andere Metalle und Halbleiter zu übertragen und die Quanteneffekte gezielt zu verstärken. Langfristig könnten solche selbstorganisierten Übergitter die Grundlage für eine neue Klasse von Quantenbauteilen bilden, die ohne tiefe Kühlung auskommen - ein entscheidender Schritt hin zu alltagstauglichen Quantentechnologien.

Die Arbeit wurde in der Fachzeitschrift Science publiziert und von mehreren Förderorganisationen unterstützt, darunter die National Science Foundation und das Department of Energy. Weitere Details finden sich in der Pressemitteilung der Brown University auf ScienceDaily.

Quellen:

• Photons behave very strangely if you try to cut them (New Scientist)
• How jazz boosts my creativity in physics (Nature - News)
• This strange new phase of matter could transform quantum technology (ScienceDaily - All)
• Europe’s deadly spring heat wave is obliterating temperature records (Scientific American)
• IceCube detects break in cosmic neutrino spectrum, ruling out simple power-law model (Phys.org)
• ‚I was literally becoming Teela‘: We chat to Camilla Mendes about kicking ass in ‚Masters of the Universe‘ (Space.com)

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Kinetyra