A Two-Dimensional Crystal of Strongly Interacting Superatoms

Seit Jahrhunderten verstehen Wissenschaftler, dass die feste Welt aus Atomen aufgebaut ist – winzigen Teilchen, die sich zu Kristallen mit sich wiederholenden Mustern verbinden. In diesen Mustern sind die Atome so klein und bewegen sich so schnell, dass das Beobachten ihrer Kristallbildung dem Versuch gleicht, einen einzelnen Regentropfen während eines Sturms zu verfolgen; der Prozess geschieht zu schnell, um gesehen werden zu können. Um zu verstehen, wie Kristalle wachsen, haben Forscher lange Zeit versucht, größere Bausteine zu nutzen, die wie Atome fungieren, sich aber langsam genug bewegen, um beobachtet werden zu können. Sie nennen diese größeren Blöcke „Superatome“. Dies sind keine einzelnen Atome, sondern präzise Cluster aus vielen Atomen, die so fest zusammenhalten, dass sie wie eine einzige, größere Einheit mit einer eigenen elektronischen Persönlichkeit agieren. Die Herausforderung bestand darin, diese Superatome dazu zu bringen, stark genug aneinander zu haften, um einen echten Kristall zu bilden, anstatt nur lose umherzuschweben oder auseinanderzufallen.

Einem Team von Forschern ist es nun gelungen, einen flachen, zweidimensionalen Kristall zu erschaffen, der vollständig aus diesen Superatomen besteht, und zum ersten Mal haben sie beobachtet, wie sich die Bausteine bewegen, binden und selbst reparieren. Die Wissenschaftler arbeiteten mit Clustern aus Palladium und Selen, speziell Gruppen, die aus sechs Palladiumatomen bestehen, welche von zwanzig oder einundzwanzig Selenatomen umgeben sind. Diese Cluster sind massiv im Vergleich zu einzelnen Atomen und wiegen über zweitausendmal mehr als ein Wasserstoffatom. Da sie so schwer sind, bewegen sie sich viel langsamer als gewöhnliche Atome, was es den Forschern ermöglichte, ihre Montage mittels eines leistungsstarken Elektronenmikroskops zu filmen. Das Team fand heraus, dass diese Cluster nicht einfach nur nebeneinander liegen; sie verbinden sich mit einer Stärke, die den chemischen Bindungen ähnelt, die Atome in Metallen zusammenhalten, und bilden so ein stabiles, sich wiederholendes Gitter.

Die Forscher begannen damit, einen dünnen Film aus amorphem, oder ungeordnetem Material zu erzeugen, das die richtige Mischung aus Palladium und Selen enthält. Um zu verhindern, dass das Material während des Erhitzungsprozesses seine Selenatome verliert, legten sie den Film zwischen zwei Schichten Graphen, einem Material, das aus einer einzigen Schicht Kohlenstoffatomen besteht. Dann nutzten sie einen schwachen Laser, um einen kleinen Punkt auf diesem Sandwich sanft zu erhitzen, wodurch das ungeordnete Material zu der superatomaren Struktur kristallisierte. Als sie das Ergebnis mit einem hochauflösenden Mikroskop betrachteten, sahen sie ein perfektes Gitter aus hellen Punkten. Jeder Punkt repräsentierte einen einzelnen Superatom-Cluster. Durch die Analyse der Helligkeit und Anordnung dieser Punkte bestätigte das Team, dass die Cluster in einem spezifischen, sich wiederholenden Muster angeordnet waren, ähnlich wie die Fliesen auf einem Boden, jedoch mit einem Abstand von etwa 8,64 Ångström zwischen jeder Einheit.

Innerhalb dieses Kristalls sind die Superatome nicht alle identisch. Die Forscher entdeckten zwei Haupttypen von Clustern: einen mit einem hohlen Zentrum und einen, in dessen Zentrum sich ein Selenatom befindet. Trotz dieser internen Unterschiede binden sie stark aneinander. Der Abstand zwischen den Kanten benachbarter Cluster beträgt etwa 3,50 Ångström – eine Lücke, die zu klein ist, um durch schwache, passive Kräfte zusammengehalten zu werden, aber zu groß für eine standardmäßige Atombindung. Berechnungen legen nahe, dass die Cluster durch eine Mischung aus chemischer Bindung und schwächeren Kräften zusammengehalten werden, was eine Bindungsenergie erzeugt, die stark genug ist, um den Kristall intakt zu halten. Diese Bindung verleiht dem Material metallische Eigenschaften, was bedeutet, dass es Elektrizität leiten kann, was ein bedeutender Unterschied zur Bulk-Version dieses Materials ist, die als Halbleiter fungiert.

Was diese Entdeckung wirklich einzigartig macht, ist die Fähigkeit, den Kristall wachsen und heilen zu sehen. Da die Superatome so massiv sind, ist ihre Bewegung langsam genug, um in einem Video festgehalten zu werden. Die Forscher beobachteten, wie einzelne Cluster sich von einer Gruppe lösten und über die Oberfläche wanderten, bevor sie sich wieder anfügten. Sie beobachteten auch, wie kleine Gruppen von Clustern sich einem größeren Kristall näherten, rotierten, um sich an ihn auszurichten, und dann einrasteten, wodurch der Kristall effektiv Block für Block wuchs. Dieser Prozess, der für normale Atome in Bruchteilen einer Sekunde abläuft, findet in diesem System über mehrere Sekunden hinweg statt, was es den Wissenschaftlern ermöglicht, die exakten Schritte der Keimbildung und des Wachstums zu beobachten.

Das Team beobachtete auch, dass diese superatomaren Kristalle unter denselben Fehlern leiden wie gewöhnliche Kristalle. Sie fanden leere Stellen, an denen ein Cluster fehlte, Linien, an denen das Muster verschoben war, und Grenzen, an denen zwei verschiedene Kristallregionen aufeinandertrafen. Als die Forscher das Material über einen längeren Zeitraum einem Elektronenstrahl aussetzten, beobachteten sie, wie diese Grenzen heilten. Zwei separate Kristallkörner rotierten und verschmolzen zu einem einzigen, größeren Korn, wobei nur schwache Spuren der ursprünglichen Grenze zurückblieben. Diese Fähigkeit, die Geburt, das Wachstum und die Reparatur eines Kristalls auf der Ebene seiner fundamentalen Bausteine zu beobachten, bietet ein seltenes Fenster in die Physik der Entstehung fester Materie. Indem sie den Prozess auf eine für Menschen sichtbare Skala verlangsamten, haben die Forscher ein Modellsystem geschaffen, das Wissenschaftlern helfen könnte, die grundlegenden Regeln der Kristallisation zu verstehen – nicht nur für diese spezifischen Cluster, sondern auch für die atomaren Kristalle, aus denen die Welt um uns herum besteht.