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Bei minus 253 Grad zeigt das Metall Niob ein gänzlich unmetallisches Verhalten

Verkleinern Physiker Metallstückchen bis auf Haufen aus wenigen Atome, müssen sie mit überraschenden Änderungen der Eigenschaften ändern. Denn bei solchen so genannten „Clustern“, die mit 5 bis 5000 Atomen den Übergang zwischen der Physik der Atome und der makroskopischen Festkörper beschreiben, ändern sich Struktur und das Bindungsverhalten der Elektronen. Aber eine spontane Trennung elektrischer Ladungen und die Bildung eines Dipols, wie ihn jetzt amerikanische Forscher in kleinen Clustern aus dem Metall Niob beobachtet haben, verblüfft sogar die erfahrensten Cluster-Physiker.

Eigentlich wollten Walter de Heer und seine Kollegen vom Georgia Institute of Technology in Atlanta über die 10 bis 200 Atome großen Niob-Cluster tiefere Erkenntnisse über die schon lange bekannte Supraleitung dieses Metalls gewinnen. Doch als sie ihre Proben auf unter minus 253 Grad Celsius abkühlten, trennten sich die elektrischen Ladungen plötzlich und spontan auf. „Das ist sehr seltsam, weil Metalle eigentlich so etwas nicht tun sollten“, sagt de Heer, der seine Entdeckung in der Fachzeitschrift Science (Vol. 300, S. 1265) beschreibt. In Metallen verteilen sich die äußeren Elektronen gleichmäßig über die gesamte Struktur und ermöglichen darüber erst Eigenschaften wie die elektrische Leitfähigkeit.

„Doch diese Cluster wurden spontan polarisiert. Die Elektronen wandern dabei aus unerpfindlichen Gründen zu einer Seite des Clusters“, so de Heer. Nach dieser überraschenden Polarisierung verharrten die Elektronen sogar in ihrer neuen Position und bildeten einen dauerhaften Dipol. „Wenn so etwas passiert, verhalten sich diese Teilchen aus Metall nicht mehr so, als ob sie metallisch wären“, so der Clusterforscher.

Bei weiteren Messungen mit Niob-Clustern verschiedener Größe erkannten die Physiker, dass dieser ferroelektrische Effekt bei Haufen aus 14 Atomen besondern stark, bei 15 Atomen jedoch wieder deutlich abnahm. Auch bei Proben bis zu 200 Atomen Größe konnten sie in Abhängigkeit von der jeweiligen Anzahl starke Unterschiede bei der spontanen Ladungstrennung beobachten. Cluster mit einer geraden Anzahl an Atomen zeigten dabei einen größeren Dipol-Effekt als solche, die eine ungerade Zahl aufweisen. Die Gründe dafür vermuten sie in den verschiedenen bevorzugten geometrischen und elektronischen Strukturen, in denen sich Atome und Elektronen in den Clustern mit zunehmender Größe anordnen. „Die Struktur spielt eine wesentliche Rolle“, so de Heer.

Auch wenn de Heer und Kollegen noch keine schlüssige Erklärung für die spontane Ladungstrennung liefern können, glauben sie ihren Ursprung in den supraleitenden Eigenschaften des Elements Niob finden zu können. Denn vergleichenden Messungen an Vanadium und Tantal, ebenfalls Metalle, die bei tiefen Temperaturen zum Supraleiter werden, zeigten ein ähnliches Verhalten, Cluster aus nicht supraleitenden Metallen dagegen nicht.

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Auch wenn die kleinen Cluster wegen ihrer geringen Größe selbst nicht unbedingt als Supraleiter zu bezeichnen sind, scheint es einen Zusammenhang mit dieser „spontanen Symmetriebrechung “ der Ladungstrennung zu geben. Genaueres lässt sich erst mit der nächsten Clustergeneration aus 500 und mehr Atomen sagen. „Das ist gerade der Anfang von einer sicherlich sehr aufregenden Geschichte“, so de Heer. „Mit Sicherheit haben wir noch jede Menge Arbeit zu erledigen.“

Jan Oliver Löfken
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