Doch Chemiker haben ein überraschendes Verhalten entdeckt: In bestimmten Materialien können sich Atome selbst dann "einfrieren", wenn die Temperatur steigt! Ein Phänomen, das den klassischen Gesetzen der Physik zu widersprechen scheint. Dennoch ist diese Entdeckung real und könnte den Weg zu Materialien ebnen, die besondere Eigenschaften – wie Magnetisierung oder die Fähigkeit, unter Druck Strom zu erzeugen – selbst bei Raumtemperatur behalten.
Im Allgemeinen bewegen sich die Atome oder Moleküle eines Materials umso heftiger, je wärmer es ist. Diese Bewegung verursacht Unordnung und damit eine Zunahme der Entropie. Umgekehrt können sich die Atome beim Abkühlen eines Materials in einer genau definierten Position stabilisieren: Man sagt dann, sie haben sich "eingefroren".
In diesen geordneten Zuständen, die bei niedriger Temperatur erreicht werden, treten bestimmte interessante Eigenschaften auf, wie Ferroelektrizität (die Fähigkeit, unter Druck eine elektrische Spannung zu erzeugen) oder Magnetisierung. Das Problem ist, dass diese Effekte normalerweise nur bei Kälte funktionieren, was ihre Nutzung einschränkt.
Doch Forscher aus Rennes und Bordeaux haben nun gezeigt, dass sich in bestimmten speziellen Materialien die Atome beim Erhöhen der Temperatur "einfrieren" können! Eine Beobachtung, die scheinbar den Gesetzen der Thermodynamik widerspricht, die eine Zunahme der Unordnung mit der Temperatur vorschreiben. Doch die Wissenschaftler konnten dieses Phänomen erklären.
Das untersuchte Material weist je nach Temperatur zwei stabile magnetische Zustände auf. Bei niedriger Temperatur bilden die Elektronen Paare, und der magnetische Zustand wird als geordnet bezeichnet. Erwärmung auf Raumtemperatur führt zu einem ungeordneten magnetischen Zustand, in dem die Elektronen nicht mehr gepaart sind.
Das Erhitzen begünstigt also eine elektronische Unordnung (oder magnetische Entropie), die mit der Entropie konkurriert, die mit der Position der Atome verbunden ist. Die Studie zeigt, dass die Gesamtentropie des Systems mit der Temperatur tatsächlich zunimmt, wie es die Gesetze der Thermodynamik verlangen, und dass die magnetische Entropie dominiert. Dadurch können die Atome bei hoher Temperatur die "eingefrorene" Position beibehalten, die sie bei niedriger Temperatur einnehmen.
Diese Ergebnisse, veröffentlicht in Materials Horizons, zeigen, dass die Kombination von elektronischer Unordnung und atomarer Ordnung zu neuen Materialien für Sensoren, Speicher oder andere Geräte führen könnte.
Referenz:
Francisco Javier Valverde-Muñoz, Ricardo Guillermo Torres Ramírez, Elzbieta Trzop, Thierry Bataille, Nathalie Daro, Dominique Denux, Philippe Guionneau, Hervé Cailleau, Guillaume Chastanet, Boris Le Guennic & Eric Collet.
Stabilizing low symmetry-based functions of materials at room temperature through isosymmetric electronic bistability
Materials Horizons 2025
https://doi.org/10.1039/D4MH01318B