这项发表于《科学》杂志的研究工作捕捉到了一种中间结构态，该状态出现在金属中常见的两种晶体排列之间的转变过程中。除了揭示关于这些转变如何发生的新细节外，这种新创造的材料还表现出不同寻常的光学行为，最终可能对量子计算和其他量子信息技术有用。
更广泛地说，这项研究展示了一种自下而上设计材料的新策略，即通过将特制的工程纳米粒子组装成具有定制特性的全新结构。
“我们的工作有点像孩子们玩乐高积木，”布朗大学化学系副教授、该研究的通讯作者之一陈欧说。“我们合成独特的纳米级构建单元，并将它们堆叠成有趣的结构。在这种情况下，我们能够稳定这些理论预测的过渡结构，并展示重要的量子光学性质。”
捕捉晶体转变中缺失的一步
许多金属材料自然地将其原子排列成两种晶体排列之一，即面心立方（FCC）和体心立方（BCC）。
在FCC结构中，粒子尽可能紧密地堆积。它们占据立方体的每个顶点以及每个面的中心。BCC结构的堆积密度稍低，粒子位于立方体的顶点，且立方体本身的中心有一个单独的粒子。
一些金属在加热时可以在这些排列之间切换。例如，铁在912摄氏度时从BCC结构转变为FCC结构。
科学家们对这种转变如何发生提出了几种解释。一个主要的模型，被称为西山-瓦瑟曼路径，预测了一系列在转变过程中形成的短寿命中间结构。由于这些中间相高度不稳定，直接观察它们一直极其困难。
这项新研究成功地利用银纳米粒子重现并稳定了那些转瞬即逝的结构状态。
“材料科学家长期以来一直关注如何控制金属中FCC和BCC的含量，但这些相之间的转变很难研究，因为它们非常不稳定，”密歇根大学Sharon Glotzer实验室的研究合著者、助理研究科学家Tim Moore说。“能够观察这些结构是材料科学的一个根本性突破，它使我们在纳米材料工程方面拥有了更大的控制权。”
利用定制纳米粒子构建新材料
为了创建这些新结构，研究人员合成了形状像截角八面体的银纳米粒子，他们称之为“mecons”。这些粒子类似于切掉角的钻石形状，形成了14面的几何形状。
据Chen介绍，这种形状特别有用，因为它介于球体和立方体之间，这两种形式自然地以不同的方式堆积在一起。
由资深研究科学家兼该研究第一作者Yasutaka Nagaoka领导的团队调整了合成过程中的加热条件，以产生具有不同圆度和类立方体特征的mecons。然后，他们用长分子链包裹粒子，这些分子链就像粘性连接器一样，使粒子能够组装成更大的有序结构，即纳米粒子超晶格。
结合实验室观察与密歇根大学Glotzer小组合作进行的详细计算机模拟，研究人员发现这些分子涂层在稳定匹配西山-瓦瑟曼路径预测的过渡结构的排列方面发挥了关键作用。
“你可以把它们想象成长满毛发的粒子，”Moore说。“这些‘毛发’足够柔韧，使粒子有更多的移动自由，但它们也能很好地贴合在一起，从而使粒子能够相互啮合。”
室温量子光学效应
新组装的银超晶格在光照下表现出另一种显著的特性。
研究人员观察到了深强光-物质耦合的迹象，这是一种银纳米粒子内部的电子与光波完美同步振荡并发生量子力学纠缠的现象。
这类量子光学效应通常与极低温度相关。然而，这种新材料似乎在室温下表现出这种行为。
这一发现可能为开发用于量子计算、传感技术和其他先进量子系统的未来材料奠定基础。
“任何时候只要你能够识别出一种新的物质相，新的应用就会出现，”Chen说。
该研究得到了美国国家科学基金会（资助号：DMR-1943930, CHE-2203700, EAR−2223273, CBET-2230729, CBET-2230891, 2243104, DMR 140129, 2138259, 2138286, 2138307, 2137603, 2138296）和美国能源部（资助号：DE-SC0012704, DOE-NNSA, DE-NA-0003975）的多项资助。