Forscher der Brown University und der University of Michigan haben einen Trick vollbracht, der zuvor nur in den Fieberträumen theoretischer Physiker existierte: Sie erschufen und stabilisierten einen neuen Materiezustand mit winzigen Silberpartikeln, die wie kosmische LEGO-Steine angeordnet sind. Die Arbeit, veröffentlicht in der Fachzeitschrift Science, fängt einen intermediären Strukturzustand ein, der während der Umwandlung zwischen zwei gängigen Kristallanordnungen in Metallen aufblitzt – ein Zustand so flüchtig, dass Wissenschaftler nur seine Existenz vermuteten.

Das neu geschaffene Material sitzt nicht nur exotisch herum; es zeigt auch ungewöhnliches optisches Verhalten, insbesondere tiefe starke Licht-Materie-Kopplung, bei der Elektronen in den Silbernanopartikeln im Gleichschritt mit Lichtwellen schwingen und quantenmechanisch verschränkt werden. Bemerkenswerterweise tritt dieser Effekt bei Raumtemperatur auf, was so ist, als würde man einen Pinguin in der Sahara finden. Die Forscher vermuten, dass dies eines Tages für Quantencomputing und andere Quanteninformationstechnologien nützlich sein könnte – denn was die Welt braucht, sind noch mehr Möglichkeiten, Dinge zu berechnen, die gleichzeitig hier und nicht hier sind.

Um ihr mikroskopisches Wunderwerk zu bauen, synthetisierte das Team Silbernanopartikel in Form von abgestumpften Oktaedern – sie nennen sie „Mekons“ – die einem Diamanten mit abgeschnittenen Ecken ähneln, was zu einer 14-seitigen Geometrie führt. Hauptautor Yasutaka Nagaoka und das Team passten die Heizbedingungen an, um Mekons mit unterschiedlichem Rundheitsgrad herzustellen, und beschichteten sie dann mit langen Molekülketten, die wie klebrige Verbindungsstücke wirkten und es den Partikeln ermöglichten, sich selbst zu größeren geordneten Strukturen, sogenannten Nanopartikel-Übergittern, zusammenzusetzen.

„Unsere Arbeit ist ein bisschen wie Kinder, die mit LEGO-Steinen spielen“, sagte Ou Chen, außerordentlicher Professor für Chemie an der Brown University und korrespondierender Autor, in einer Analogie, die seit „es ist wie ein Ballon und ein Ziegelstein“ wohl die nachvollziehbarste wissenschaftliche Analogie ist. Die molekularen Beschichtungen, so das Team, spielten eine entscheidende Rolle bei der Stabilisierung von Anordnungen, die den vom Nishiyama-Wassermann-Pfad vorhergesagten Übergangsstrukturen entsprachen – einem führenden Modell dafür, wie Metalle zwischen kubisch-flächenzentrierten (FCC) und kubisch-raumzentrierten (BCC) Kristallanordnungen wechseln.

„Materialwissenschaftler kümmern sich seit langem darum, wie sie den Anteil von FCC und BCC in ihren Metallen kontrollieren können, aber die Übergänge zwischen diesen Phasen waren schwer zu untersuchen, weil sie so instabil sind“, sagte Tim Moore, ein Studienkoautor von der University of Michigan. „Diese Strukturen beobachten zu können, ist ein grundlegender Durchbruch in der Materialwissenschaft.“ Die Forschung wurde von einem kleinen Berg an Zuschüssen der National Science Foundation und des Energieministeriums unterstützt, denn offenbar ist die Entdeckung eines neuen Materiezustands nicht billig.

„Immer wenn man in der Lage ist, einen neuen Materiezustand zu identifizieren, werden neue Anwendungen entstehen“, fügte Chen hinzu, was das wissenschaftliche Äquivalent zu „bau es und sie werden kommen“ ist – vorausgesetzt, „sie“ sind Quantencomputer und fortschrittliche Sensoren.