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News: Metalle auf Abwegen

Im Kleinen ist wieder mal alles ganz anders. Anstelle bei tiefen Temperaturen supraleitend zu sein, wie es sich für Niob eigentlich gebührt, legten Nanometer kleine Cluster des Metalls nun ein ganz anderes Verhalten an den Tag.
Niob-Cluster
Metalle sind in der Regel ausgezeichnete elektrische Leiter. Das ist auf ihre Elektronen zurückzuführen, die sich zum Großteil bereitwillig von den Atomrümpfen ablösen und nahezu frei durch das Kristallgitter bewegen.

Und so wundert es nicht, dass bei einem Stück Metall in einem äußeren elektrischen Feld die Elektronen in positive Feldrichtung wandern, denn schließlich ziehen sich entgegengesetzte Ladungen an. An der Oberfläche des Metallstücks bilden sich entsprechend zwei Ladungspole aus: ein positiver und ein negativer. Physiker sprechen in diesem Fall von elektrischer Polarisation.

Es gibt aber auch Materialien, die eine elektrische Polarisation schon von sich aus zeigen, ohne dass es dazu eines äußeren Feldes bedürfte. Solche Ferroelektrika sind quasi das Pendant zu magnetischen Materialien, die auch kein äußeres Feld brauchen, um selbst auf andere Stoffe anziehend zu wirken. Für gewöhnlich weisen Metalle jedoch keine spontane Polarisation auf, dazu sind die Ladungsträger viel zu beweglich. Im feldfreien Raum versuchen sie sich möglichst gleichmäßig zu verteilen, sodass ein Metall nach außen hin neutral bleibt.

Soweit so gut, aber im Kleinen scheint die Physik mal wieder völlig auf den Kopf gestellt. Denn eigentlich wollten Ramiro Moro und seine Kollegen vom Georgia Institute of Technology in Atlanta lediglich überprüfen, ob winzige, Nanometer kleine Klümpchen des Übergangsmetalls Niob bei tiefen Temperaturen zu Supraleitern werden – bei großen Stücken ist das nämlich der Fall. Doch die Wissenschaftler staunten nicht schlecht, als sie bemerkten, dass die Partikel aus bis zu 200 Atomen bei tiefen Temperaturen unterhalb von 20 Kelvin plötzlich eine spontane Polarisation zeigten, anstelle supraleitend zu werden.

Um die winzigen Partikel herzustellen, beschienen die Forscher zunächst einen Niobstab im Vakuum mit Laserlicht. Die Laserpulse verdampften einen Teil des Niobs, sodass sich eine Gaswolke des Metalls bildete. Dann schickten die Physiker einen Strahl extrem kalten Heliumgases in die Vakuumkammer, worauf das gasförmige Metall sofort kondensierte und winzigen Metallcluster unterschiedlicher Größe entstanden. Von dem kalten Gasstrom des Heliums getrieben, entwichen diese Cluster durch ein kleines Loch in der Wand der Vakuumkammer und bildeten einen millimeterbreiten Partikelstrahl, der zwischen zwei Metallplatten hindurchgeführt wurde, bevor er schließlich auf einen Detektor zum Zählen der Teilchen traf.

Zwischen den Metallplatten konnten die Forscher nach Bedarf eine Spannung von bis zu 15 000 Volt anlegen und so ein starkes inhomogenes elektrisches Feld erzeugen. Während sich nun unpolarisierte Teilchen von einem solchen Feld nicht beeindrucken lassen und einfach geradeaus weiter zum Detektor fliegen, werden polarisierte Partikel in dem Feld abgelenkt und damit vom Detektor nicht mehr erfasst. Millionen von Clustern konnten Moro und sein Team so in Abhängigkeit von Temperatur und Plattenspannung untersuchen. Und alle Niob-Cluster bis zur maximal untersuchten Größe von 200 Atomen wiesen eine spontane Polarisation auf.

"Das ist äußerst seltsam, da man bislang nicht vermutete, dass das bei einem Metall passieren könnte", wundert sich entsprechend Walter de Heer über sein eigenes Versuchsergebnis. "Die Elektronen bewegten sich aus unerfindlichem Grund zu einer Seite des Clusters. Eine Seite war damit negativ geladen und die andere positiv. Und der Cluster blieb in diesem Zustand."

Eine Erklärung für dieses sonderbare Verhalten haben die Forscher noch nicht. Aber sie vermuten, dass es der Umstände halber irgendwie mit dem Phänomen der Supraleitung zu tun haben müsse. Denn nicht nur Niob-Cluster wiesen bei tiefen Temperaturen plötzlich spontane Polarisation auf, auch Vanadium und Tantal – beides Supraleiter – zeigten das ungewöhnliche Verhalten. Andererseits war bei nicht supraleitenden Metallen keine Auffälligkeit festzustellen.

De Heer spricht deshalb schon von einem Indizienbeweis, schließlich handele es sich um das gleiche Material, und es gäbe in beiden Fällen im selben Temperaturbereich einen Phasenübergang: bei großen Metallstücken vom normalen zum supraleitenden Zustand und bei kleinen Clustern vom unpolarisierten zum spontan polarisierten Zustand.

Doch geheimnisvoll bleibt das Phänomen dennoch. So meint de Heer: "Wenn das passiert, dann verhalten sich diese Partikel aus Metallatomen nicht länger wie ein Metall." Irgendetwas wandle die Partikel von einem Metall in etwas anderes um. Der Forscher ist sich sicher: "Dies ist nur der Anfang einer äußerst spannenden Geschichte."

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