Neuer Aggregatzustand: Materie ist gleichzeitig fest und flüssig

Fest, flüssig, gasförmig ... und was noch?  In der Schule haben die meisten von uns wohl nur von drei Aggregatzuständen gehört, aber Physiker haben diverse exotische Zustände entdeckt, die unter extremen Temperatur- und Druckverhältnissen bestehen können.

Nun hat ein Team eine künstliche Intelligenz genutzt, um die Existenz eines bizarren neuen Aggregatzustands zu bestätigen, in dem Kalium simultan Eigenschaften eines Feststoffs und einer Flüssigkeit aufweist. Wenn man es irgendwie schaffen könnte, ein Stück dieser Materie in der Hand zu halten, würde sie vermutlich wie ein fester Block wirken, aus dem so lange geschmolzenes Kalium tropft, bis sich der Block gänzlich aufgelöst hat.

„Das wäre so, als würde man einen Schwamm halten, aus dem Wasser heraustropft, nur dass der Schwamm auch aus Wasser bestünde“, sagt der Co-Autor der Studie, Andreas Hermann. Der Physiker der University of Edinburgh und sein Team beschrieben ihre Arbeit im Fachmagazin „Proceedings of the National Academy of Science“.

In diesem ungewöhnlichen Aggregatzustand könnte Kalium unter Bedingungen bestehen, die sich zum Beispiel im Erdmantel finden. Aber das Element tritt in der Natur eigentlich nicht in Reinform auf, sondern nur in Form von Kaliumverbindungen. Ähnliche Simulationen könnten dabei helfen, das Verhalten anderer Minerale in solch extremen Umgebungen zu erforschen.

Galerie: Weltraumwetter aus dem Labor

Tropfender Kristall

Metalle wie Kalium sind auf mikroskopischer Ebene nicht besonders kompliziert. In fester Form sind die Atome des Elements in ordentlichen Reihen miteinander verbunden, die sowohl Wärme als auch Elektrizität gut leiten. Lange Zeit glaubten Forscher, dass sie recht einfach vorhersagen könnten, wie sich solche Kristallstrukturen unter Druck verhalten.

Aber vor etwa 15 Jahren entdeckten sie, dass Natrium – ein Metall mit ähnlichen Eigenschaften wie Kalium – sich seltsam verhält, wenn es verdichtet wird. Unter Druck, der 20.000 Mal stärker ist als auf der Erdoberfläche, verwandelte sich Natrium von einem silbrigen Block in ein durchsichtiges Material, das Elektrizität nicht leitete, sondern ihren Fluss sogar blockierte. Sie durchleuchteten das Material mit einem Röntgenscanner und entdeckten, dass die Atome nicht mehr in einer einfachen, sondern in einer komplexen Kristallstruktur angeordnet waren.

Auch Kalium wurde ähnlichen Experimenten unterzogen. Wenn das Element vergleichbarem Druck ausgesetzt wird, ordnen sich seine Atome in einer komplexen Formation an: fünf zylindrische Röhren, die eine Art X bilden, mit vier langen Ketten an den Krümmungen der Struktur. Fast wirkt das Ganze wie zwei separate Materialien, die nicht ineinandergreifen.

„Irgendwie haben die Kaliumatome entschieden, sich auf zwei nur lose miteinander verbundene Kristallgitter aufzuteilen“, sagt Hermann. Als die Wissenschaftler die Temperatur erhöhten, zeigten die Röntgenaufnahmen, dass die vier Ketten verschwanden. Die Forscher waren sich uneins darüber, was genau geschehen war.

Um genau das herauszufinden, nutzten Hermann und seine Kollegen ein künstliches neuronales Netzwerk – eine künstliche Intelligenz, die anhand von Beispielen lernen kann, Verhalten vorherzusagen. Nachdem das neuronale Netzwerk mit kleinen Gruppen von Kaliumatomen trainiert worden war, hatte es genug über Quantenmechanik gelernt, um das Verhalten größerer Gruppen mit mehreren Zehntausend Atomen zu simulieren.

Die Computermodelle bestätigten, dass das Kalium bei 20.000-fachem bis 40.000-fachem Atmosphärendruck und 400 bis 800 Kelvin in einen sogenannten chain-melted state übergeht, bei dem die Atomketten (chains) sich auflösen, sodass das zuvor feste Material flüssig wird, während die verbleibenden Kaliumatome ihre Kristallgitterstruktur und damit ihren festen Zustand beibehalten.
Damit haben Wissenschaftler zum ersten Mal gezeigt, dass ein solcher Zustand eines Elementes thermodynamisch stabil sein kann.

Die Methode des maschinellen Lernens, die das Team für sein Experiment entwickelt hat, könnte auch bei Modellen zum Einsatz kommen, die das Verhalten anderer Materialien simulieren, sagt Marius Millot. Der Forscher untersucht Materialien unter extremen Bedingungen am Lawrence Livermore National Laboratory.

„Der Großteil der Materie im Universum existiert unter hohem Druck und hohen Temperaturen, beispielsweise im Inneren von Planeten und Sternen“, wie er hinzufügt.

Exotische Zustände

Nun, da die Existenz des kettengeschmolzenen Zustands von Kalium bestätigt wurde, steht er in einer Reihe mit anderen ungewöhnlichen Aggregatzuständen.

Plasma: Ein superheißes Gas, bei dem sich die Elektronen von ihren Atomkernen gelöst haben. Dadurch kann ein Plasma elektrische und magnetische Felder sowohl erzeugen, als auch von ihnen beeinflusst werden.

Bose-Einstein-Kondensat: Dieses Kondensat kann nur bei extrem niedrigen Temperaturen erzeugt werden, die fast den absoluten Nullpunkt erreichen. Dann verhalten sich alle Atome innerhalb des Materials so wie ein einziges, großes Superatom und befinden sich allesamt im gleichen quantenmechanischen Zustand.

Supraleiter: Materialien, die unterhalb einer bestimmten –üblicherweise sehr kalten – Temperatur keinerlei elektrischen Widerstand mehr aufweisen.

Supraflüssigkeit: Eine Flüssigkeit, die fast bis auf den absoluten Nullpunkt heruntergekühlt wurde, sodass sie jegliche innere Reibung verliert und sogar an den Seitenwänden von Gefäßen hinaufwandern und an den Rändern heruntertropfen kann.

Entartete Materie: Ein Zustand, der aufgrund quantenmechanischer Effekte von dem in der klassischen Physik bekannten Verhalten abweicht. In der Natur tritt ausreichend hoher Druck für die Erzeugung solcher Materie nur in Weißen Zwergsternen und Neutronensternen auf.

Quark-Gluon-Plasma: Ein Zustand, bei dem Protonen und Neutronen in ihre Quarks zerfallen, welche sich dann frei zwischen Teilchen namens Gluonen bewegen können, die starke Wechselwirkung vermitteln.

Der Artikel wurde ursprünglich in englischer Sprache auf NationalGeographic.com veröffentlicht.