Onderzoekers van Brown University en de University of Michigan hebben een truc uitgehaald die voorheen alleen bestond in de koortsdromen van theoretisch natuurkundigen: ze creëerden en stabiliseerden een nieuwe fase van materie met behulp van kleine zilverdeeltjes die als kosmische LEGO-steentjes zijn gerangschikt. Het werk, gepubliceerd in het tijdschrift Science, legt een tussenliggende structurele toestand vast die in een flits verschijnt tijdens de transformatie tussen twee veelvoorkomende kristalstructuren in metalen - een toestand die zo vluchtig is dat wetenschappers alleen maar hadden vermoed dat hij bestond.
Het nieuw gevormde materiaal zit er niet alleen exotisch uit; het vertoont ook ongewoon optisch gedrag, met name diepe sterke licht-materiekoppeling, waarbij elektronen in de zilveren nanodeeltjes synchroon trillen met lichtgolven en kwantummechanisch verstrengeld raken. Opmerkelijk genoeg treedt dit effect op bij kamertemperatuur, wat neerkomt op het vinden van een pinguïn die floreert in de Sahara. De onderzoekers suggereren dat dit uiteindelijk nuttig zou kunnen zijn voor kwantumcomputers en andere kwantuminformatietechnologieën - want wat de wereld nodig heeft, is meer manieren om dingen te berekenen die tegelijkertijd hier en niet hier zijn.
Om hun microscopische wonder te bouwen, synthetiseerden de onderzoekers zilveren nanodeeltjes in de vorm van afgeknotte octaëders - ze noemen ze 'mecons' - die lijken op een diamant met afgeknipte hoeken, resulterend in een 14-zijdige geometrie. Hoofdauteur Yasutaka Nagaoka en het team pasten de verhittingsomstandigheden aan om mecons met verschillende gradaties van ronding te produceren, en bedekten ze vervolgens met lange moleculaire ketens die als plakkerige connectoren fungeerden, waardoor de deeltjes zichzelf konden assembleren tot grotere geordende structuren, nanodeeltjes-superroosters genaamd.
'Ons werk lijkt een beetje op kinderen die met LEGO-blokken spelen,' zei Ou Chen, een universitair hoofddocent scheikunde aan Brown en een corresponderende auteur, in wat misschien wel de meest herkenbare wetenschappelijke analogie is sinds 'het is als een ballon en een baksteen'. De moleculaire coatings, zo ontdekte het team, speelden een cruciale rol bij het stabiliseren van arrangementen die overeenkwamen met de overgangsstructuren voorspeld door het Nishiyama-Wassermann-pad - een toonaangevend model voor hoe metalen schakelen tussen vlakgecentreerde kubische (FCC) en lichaamsgecentreerde kubische (BCC) kristalstructuren.
'Materialenwetenschappers geven al lang om hoe ze de hoeveelheid FCC en BCC in hun metalen kunnen controleren, maar de overgangen tussen deze fasen zijn moeilijk te bestuderen omdat ze zo instabiel zijn,' zei Tim Moore, een co-auteur van de studie van de University of Michigan. 'Het kunnen observeren van deze structuren is een fundamentele doorbraak in de materiaalwetenschap.' Het onderzoek werd ondersteund door een kleine berg subsidies van de National Science Foundation en het Department of Energy, want blijkbaar is het ontdekken van een nieuwe fase van materie niet goedkoop.
'Elke keer dat je een nieuwe fase van materie kunt identificeren, zullen er nieuwe toepassingen ontstaan,' voegde Chen eraan toe, wat het wetenschappelijke equivalent is van 'bouw het en ze zullen komen' - ervan uitgaande dat 'ze' kwantumcomputers en geavanceerde sensoren zijn.