Ungewöhnlicher Effekt: Während Metalle normalerweise bei Kälte schrumpfen, verhält sich eine Samariumverbindung genau umgekehrt – sie dehnt sich aus. Damit gehört sie zu nur einer Handvoll bekannter Materialien mit diesem Verhalten. Dahinter steckt ein Quanteneffekt, durch den freie Elektronen im Material die Atomhüllen des Samariums auffüllen. Dies wiederum drückt die Atome auseinander – und das Material dehnt sich aus, je kälter es wird.
Die meisten bekannten Metalle und Feststoffe ziehen sich bei Kälte zusammen – das Material schrumpft. Diese Veränderungen müssen Konstrukteure beispielsweise bei Flugzeugen einbeziehen, die in Reiseflughöhe großer Kälte ausgesetzt sind.
„In praktischen Anwendungen wie einem Flieger oder elektronischen Gerät nutzt man daher Legierungen aus Materialien, die sich beim Abkühlen gegensätzlich verhalten“, erklärt Erstautor Daniel Mazzone vom Brookhaven National Laboratory. Man kombiniert Metalle, die sich bei Kälte zusammenziehen mit exotischeren Materialien, die sich ausdehnen. Doch diese negative thermische Expansion ist bisher nur von einer Handvoll Materialien bekannt.
Volumenzunahme um bis zu drei Prozent
Jetzt haben Mazzone und seine Kollegen ein weiteres dieser exotischen Materialien entdeckt – eine Verbindung des Seltenerdmetalls Samarium. In ihrem Experiment nutzten die Forscher Samariumsulfid, das mit Yttrium-Atomen dotiert war. An einigen Stellen des Atomgitters waren Samarium-Atome durch Yttrium-Atome ersetzt. Dieses Material ist schon per se exotisch, weil es je nach Umweltbedingung manchmal ein golden schimmerndes Metall bildet, mal einen stumpfschwarzen Halbleiter.
