Forskare från Brown University och University of Michigan har lyckats med ett trick som tidigare var förbehållet teoretiska fysikers feberdrömmar: de skapade och stabiliserade en ny fas av materia med hjälp av små silverpartiklar arrangerade som kosmiska LEGO-klossar. Arbetet, publicerat i tidskriften Science, fångar ett mellanliggande strukturellt tillstånd som blixtrar till under omvandlingen mellan två vanliga kristallarrangemang som finns i metaller – ett tillstånd så flyktigt att forskare bara hade gissat att det existerade.
Det nypräglade materialet sitter inte bara där och ser exotiskt ut; det uppvisar också ovanligt optiskt beteende, specifikt djupt stark ljus-materia-koppling, där elektroner inuti silvernanopartiklarna vibrerar i takt med ljusvågor och blir kvantmekaniskt sammanflätade. Anmärkningsvärt nog sker denna effekt vid rumstemperatur, vilket är som att hitta en pingvin som trivs i Sahara. Forskarna föreslår att detta så småningom kan vara användbart för kvantdatorer och andra kvantinformationsteknologier – för vad världen behöver är fler sätt att beräkna saker som är både här och inte här samtidigt.
För att bygga sitt mikroskopiska underverk syntetiserade teamet silvernanopartiklar formade som trunkerade oktaedrar – de kallar dem "mekoner" – som liknar en diamant med hörnen avhuggna, vilket resulterar i en 14-sidig geometri. Huvudförfattaren Yasutaka Nagaoka och teamet justerade uppvärmningsförhållandena för att producera mekoner med varierande grad av rundhet, belade dem sedan med långa molekylkedjor som fungerade som klibbiga kontakter, vilket gjorde att partiklarna kunde självmontera till större ordnade strukturer som kallas nanopartikelsupergitter.
"Vårt arbete är lite som barn som leker med LEGO-klossar," sade Ou Chen, docent i kemi vid Brown och en av korresponderande författarna, i vad som kan vara den mest relaterbara vetenskapliga analogin sedan "det är som en ballong och en tegelsten." Molekylbeläggningarna, fann teamet, spelade en avgörande roll för att stabilisera arrangemang som matchade de övergångsstrukturer som förutspås av Nishiyama-Wassermann-vägen – en ledande modell för hur metaller växlar mellan ytcentrerad kubisk (FCC) och rymdcentrerad kubisk (BCC) kristallarrangemang.
"Materialvetare har länge brytt sig om hur man kontrollerar mängden FCC och BCC i sina metaller, men övergångarna mellan dessa faser har varit svåra att studera eftersom de är så instabila," sade Tim Moore, en medförfattare från University of Michigan. "Att kunna observera dessa strukturer är ett grundläggande genombrott inom materialvetenskap." Forskningen stöddes av ett litet berg av anslag från National Science Foundation och Department of Energy, för att uppenbarligen är det inte billigt att upptäcka en ny fas av materia.
"Varje gång du kan identifiera en ny fas av materia kommer nya tillämpningar att dyka upp," tillade Chen, vilket är den vetenskapliga motsvarigheten till "bygg det så kommer de" – förutsatt att "de" är kvantdatorer och avancerade sensorer.