Физик Даниэль Шехтман просто поставил три вопросительных знака в своем лабораторном журнале, когда однажды в 1982 году увидел результаты своего последнего эксперимента. Он смотрел на кристаллический узор, который в то время считался невозможным. Согласно каноническому принципу того времени, кристаллы всегда обладали так называемой трансляционной симметрией. Они составляют единую базовую единицу, так называемую элементарную ячейку, которая повторяется в одной и той же форме во всех пространственных направлениях.
Хотя паттерн Шехтмана действительно содержал глобальную симметрию, отдельные строительные блоки не могли быть сопоставлены друг с другом простым переводом. Был открыт первый квазикристалл. Несмотря на частично резкую критику со стороны уважаемых коллег, Шехтман твердо придерживался своей новой концепции и тем самым произвел революцию в научном понимании кристаллов и твердых тел.
В 2011 году он в итоге получил Нобелевскую премию по химии. По сей день как основные условия, так и механизмы, с помощью которых формируются эти удивительные структуры, остаются в значительной степени окутанными тайной.
Набор инструментов для квазикристаллов
Сейчас группа ученых во главе с Вильгельмом Аувартером и Йоханнесом Барт, оба профессора кафедры физики поверхности Мюнхенского технического университета, в сотрудничестве с Гонконгским университетом науки и технологий (HKUST, проф.
Ниан Лин и др.) И Испанский исследовательский институт IMDEA Nanoscience (д-р. Дэвид Эсиха), разработали новую основу для создания двумерных квазикристаллов, которая может значительно приблизить их к пониманию этих своеобразных закономерностей.
Докторант TUM Хосе Игнасио Ургель провел новаторские измерения в ходе исследовательской стажировки в HKUST. «Теперь у нас есть новый набор строительных блоков, которые мы можем использовать для сборки множества различных новых квазикристаллических структур.
Это разнообразие позволяет нам исследовать, как образуются квазикристаллы », — объясняют физики ТУМ.
Исследователям удалось связать европий — атом металла в ряду лантанидов — с органическими соединениями, тем самым сконструировав двумерный квазикристалл, который даже может быть расширен в трехмерный квазикристалл. На сегодняшний день ученым удалось создать множество периодических и частично очень сложных структур из металлоорганических сетей, но никогда не было квазикристаллов.
Исследователи также смогли полностью выяснить новую геометрию сети с беспрецедентным разрешением с помощью сканирующего туннельного микроскопа. Они обнаружили мозаику из четырех различных основных элементов, состоящих из треугольников и прямоугольников, неравномерно распределенных на подложке. Некоторые из этих базовых элементов собраны в регулярные додекагоны, которые, однако, не могут быть отображены друг на друга посредством параллельной трансляции. В результате получился сложный узор, небольшое произведение искусства на атомном уровне с додекагональной симметрией.
Интересные оптические и магнитные свойства
В своей будущей работе исследователи планируют варьировать взаимодействия между металлическими центрами и присоединенными соединениями, используя компьютерное моделирование и эксперименты, чтобы понять условия, при которых образуются двумерные квазикристаллы. Это понимание может облегчить будущую разработку новых специализированных квазикристаллических слоев.
Такие материалы открывают большие перспективы.
В конце концов, новые металлоорганические квазикристаллические сети могут обладать свойствами, которые делают их интересными для самых разных приложений. «Мы открыли новое игровое поле, на котором мы можем не только исследовать квазикристалличность, но и создавать новые функциональные возможности, особенно в областях оптики и магнетизма», — говорит д-р. Дэвид Эсиха из IMDEA Nanoscience.
Во-первых, когда-нибудь ученые смогут использовать новую методологию для создания квазикристаллических покрытий, которые влияют на фотоны таким образом, что они лучше передаются или только определенные длины волн могут проходить через материал.
Кроме того, взаимодействие строительных блоков лантаноидов в новых квазикристаллах может способствовать разработке магнитных систем с очень особыми свойствами, так называемых «фрустрированных систем»."Здесь отдельные атомы в кристаллической решетке взаимодействуют друг с другом таким образом, что не позволяет точкам сетки достичь минимального энергетического состояния.
Результат: экзотические основные магнитные состояния, которые можно исследовать как хранилища информации для будущих квантовых компьютеров.