Nach Jahrzehnten der Vorhersage: Physiker erfassen erstmals die verborgene Phase der Materie

Die Leistung bietet nicht nur neue Einblicke in die Art und Weise, wie Materialien ihre innere Struktur verändern, sondern offenbart auch ungewöhnliche optische Eigenschaften, die zukünftig möglicherweise für Quantencomputing und andere Quanteninformationstechnologien könnten. Die Ergebnisse wurden in der Zeitschrift Science veröffentlicht.

In weiterem Sinne zeigt die Arbeit eine leistungsstarke neue Strategie für das Design ßgeschneiderten Nanopartikeln und eröffnet Möglichkeiten zur Entwicklung ganz neuer Materialien mit maßspezifischen Eigenschaften. „Unsere Arbeit ist ein wenig wie Kinder, die mit LEGO-Steinen spielen", sagte Ou Chen, Assistenzprofessor für Chemie an der Brown University und einer der korrespondierenden Autoren der Forschung. „Wir synthetisieren einzigartige nanoskalige Bausteine und stapeln sie zu interessanten Strukturen.

In diesem Fall konnten wir diese theoretisch vorhergesagten Übergangsstrukturen stabilisieren und wichtige quantenoptische Eigenschaften nachweisen." Erfassung eines lang vorhergesagten Kristallübergangs Viele Metalle ordnen ihre Atome: kubisch flächenzentriert (FCC) oder kubisch raumzentriert (BCC).

In einer FCC-Anordnung sind die Teilchen

In einer FCC-Anordnung sind die Teilchen so dicht gepackt wie möglich. Jeder Würfel enthält Teilchen an seinen Ecken sowie in der Mitte jeder Fläche. In einer kubisch-raumzentrierten (BCC) Anordnung besetzen Teilchen die Ecken des Würfels sowie eine einzige Position in dessen Zentrum.

Solche Muster gehören zu den häufigsten atomaren Anordnungen in metallischen Materialien. Einige Metalle können diese Strukturen beim Erhitzen wechseln. Eisen wandert beispielsweise bei 912 Grad Celsius ächenzentrierten (FCC) in die kubisch-raumzentrierte Struktur über.

Wissenschaftler haben verschiedene mögliche Mechanismen vorgeschlagen, wie diese Umwandlungen ablaufen. Eine der bekanntesten Erklärungen ist der Nishiyama-Wassermann-Pfad. Dieses Modell sagt eine Reihe vorübergehender Zwischenstrukturen voraus, die entstehen, wenn ein Material übergeht.

Da diese Übergangszustände, waren sie bisher

Da diese Übergangszustände, waren sie bisher extrem schwer direkt zu beobachten.

Die neue Studie gelang es, diese schwer fassbaren Zwischenphasen erfolgreich mit speziell entwickelten Silber-Nanopartikeln nachzubilden. „Materialwissenschaftler beschäftigen sich seit langem damit, wie man den Anteil ächenzentrierter (FCC) und kubisch-raumzentrierter (BCC) Struktur in Metallen steuern kann.

Die Umwandlungen zwischen diesen Phasen waren jedoch schwer zu untersuchen, da sie so instabil sind", sagte Tim Moore, Mitautor der Studie und Assistenzforscher im Labor University of Michigan. „Die Fähigkeit, diese Strukturen zu beobachten, stellt einen grundlegenden Durchbruch in der Materialwissenschaft dar und ermöglicht uns eine bessere Kontrolle beim Engineering." Neue Materialien aus maßgeschneiderten Nanopartikeln Um das Material herzustellen, synthetisierten Chen und seine Kollegen Silber-Nanopartikel, die als „mecons" bezeichnet werden.

Diese Partikel ähneln abgeschnittenen Oktaedern, einer

Diese Partikel ähneln abgeschnittenen Oktaedern, einer Form, die man sich als diamantähnliche Struktur vorstellen kann, deren Ecken abgeschnitten wurden, wodurch eine 14-flächige Struktur entsteht.

Nach Aussage besonders nützlich, da sie sich zwischen einer Kugel und einem Würfel befindet – zwei Formen, die sich auf sehr unterschiedliche Weise stapeln lassen. Durch die Einstellung der Temperatur während der Synthese erzeugten die Forscher Mecons mit einer Formspanne zu eher würfelartigen Partikeln.

Anschließend wurden diese Partikel mit langen Molekülketten beschichtet, die als klebrige Verbindungen wirkten und ihnen halfen, sich während der Selbstorganisation zu binden. Das Team ließ Partikel unterschiedlicher Formen sich selbst zu Nanopartikel-Superlattice organisieren und untersuchte die resultierenden Strukturen.

Technik und Auswirkungen

Durch die Kombination Computersimulationen stellten die Forscher fest, dass die klebrigen molekularen Beschichtungen eine entscheidende Rolle spielten. Sie ermöglichten es den Partikeln, sich in denselben Übergangsstrukturen anzuordnen, die vom Nishiyama-Wassermann-Modell vorhergesagt wurden.

Die Simulations- und Modellierungsarbeiten wurden in Zusammenarbeit mit einem Team unter der Leitung University of Michigan durchgeführt. „Man kann sich das quasi wie behaarte Partikel vorstellen", sagte Moore.

Die Haare sind flexibel genug, sodass die Partikel mehr Bewegungsfreiheit haben, passen sich jedoch auch gut zusammen, wodurch die Partikel ineinandergreifen können. Unerwartetes quantenoptisches Verhalten Die neu hergestellten Silber-Nanopartikel-Superlattice-Strukturen zeigten eine weitere überraschende Eigenschaft.

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Bei Bestrahlung mit Licht traten Anzeichen einer tiefen starken Licht-Materie-Kopplung auf, ein Phänomen, bei dem Elektronen innerhalb der Silber-Nanopartikel synchron mit Lichtwellen oszillieren und quantenmechanisch verschränkt werden. Solche quantenoptischen Effekte werden in der Regel nur bei sehr tiefen Temperaturen beobachtet.

Im Gegensatz dazu zeigt das neu entwickelte Material dieses Verhalten bei Raumtemperatur.

Diese Fähigkeit könnte die Struktur zu einem wertvollen Modell für die Entwicklung zukünftiger Materialien für Quantencomputing, Sensorik und andere Anwendungen der Quanteninformationsverarbeitung machen. „Jedes Mal, wenn eine neue Materiephase identifiziert werden kann, werden neue Anwendungen entstehen", sagte Chen.

Technik und Auswirkungen

Quelle: „Stabilisierung von Übergangsphasen in Superlattices durch Formkontrolle ", Timothy C. Moore, Arseniy Epishin, Zhenyang Liu, Tong Cai, Na Jin, Ken Seungmin Hong, Peter Saghy, Ankai Wang, Yuzi Liu, Sooyeon Hwang, Yusong Bai, Shengli Zou, Ruipeng Li, Stephanie Reich, Sharon C. Glotzer und Ou Chen, 28. Mai 2026, Science. DOI: 10.1126/science.ady6472.

Die Forschung wurde durch mehrere Fördergelder der National Science Foundation (DMR-1943930, CHE-2203700, EAR-2223273, CBET-2230729, CBET-2230891, 2243104, DMR 140129, 2138259, 2138286, 2138307, 2137603, 2138296) sowie des Department of Energy (DE-SC0012704, DOE-NNSA, DE-NA-0003975) unterstützt.