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Wie man Gold hart macht

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Gold weist überraschende physikalische Eigenschaften auf.
Eine Mischung zwischen Festkörper und Plasma ? in diesen exotischen Zustand haben Physiker von der Universität von Toronto dünne Goldfilme versetzt. Die Forscher erhitzten das Edelmetall extrem schnell mit einem Laser und wandelten es dadurch in sogenannte warme dichte Materie („warm dense matter“) um. Die Bindung zwischen den Goldatomen im Kristallgitter wurde dabei stärker, stellten die Forscher fest.

„Anders als man annehmen könnte, wurde das Gold härter und nicht weicher“, berichtet Ko-Autor Dwayne Miller. Der überraschende Effekt war aber theoretisch bereits vorhergesagt worden. Die Physiker aus Toronto wiesen ihn nun erstmals experimentell nach. „Wir haben das Gold mit einer irrsinnigen Rate erhitzt ? um eine Billiarde Grad pro Sekunde“, so Miller. „Die Elektronen, die die Wärme absorbiert haben, konnten sie nicht schnell genug durch Kollisionen an die Atomkerne abgeben.“ Die Elektronen entfernten sich dadurch im Durchschnitt weiter von den Atomkernen.

Gewöhnlich schirmen die Elektronen anziehende Kräfte zwischen den Atomkernen im Kristallgitter ab. Doch durch die Hitze, die die Forscher mit einem UV-Laser erzeugten, wurde diese Abschirmung geschwächt ? die Anziehung zwischen den Gold-Ionen im Kristallgitter wurde stärker, die Schmelztemperatur heraufgesetzt. Die Forscher untersuchten die Eigenschaften der Gold-Ionen mit Hilfe einer Technik namens Femtosekunden-Elektronenbeugung. Dabei handelt es sich um eine Art Kamera für Atombewegungen. Extrem kurze Elektronen-Impulse können die Bewegung der Atome auf kleinsten Zeitskalen sichtbar machen.

Die Experimente der Physiker sollen dabei helfen, die Eigenschaften warmer dichter Materie besser zu verstehen. Bislang wissen Physiker darüber relativ wenig. Die Materie ist in diesem Zustand so dicht wie in einem Festkörper, aber so heiß, dass sie eigentlich als Plasma vorliegen müsste. Wahrscheinlich kommt diese exotische Materieform im Inneren von Riesenplaneten vor. Die physikalischen Gesetze, die diesen Zustand regieren, könnten auch bei Kernreaktionen eine Rolle spielen.

Ralph Ernstorfer (TU München) et al.: Science, Online-Vorabveröffentlichung, DOI: 10.1126/science.1162697 Ute Kehse
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