Ученые установили новые свойства квазикристаллов
Ученые Хайфского Техниона совместно с коллегами из университетов Германии установили новые свойства квазикристаллов, открытых израильским химиком Даном Шехтманом, лауреатом Нобелевской премии.
В апреле 1982 года сотрудник Хайфского Техниона Дан Шехтман сделал открытие, которое противоречило всей научной картине мира. Он наблюдал кристаллы, которых "не может быть". К этому моменту было твердо установлено, что все возможные конфигурации кристаллов соответствуют 230 пространственным группам симметрии и никакие другие симметрии невозможны – ни математически, ни термодинамически. Эта теория была предложена в конце XIX – начале XX веков и была настолько надежно проверена экспериментально, что сомневаться в ней было по меньшей мере странно. Работа Шехтмана встретила сильнейшее сопротивление, в том числе со стороны дважды нобелевского лауреата Лайнуса Полинга. Он сказал тогда: "Не существует никаких квазикристаллов, есть только квазинаучные".
Но Шехтман победил. Ему очень помогли и развитая к 1980-м годам электронная микроскопия, и работы Пенроуза по апериодическим паркетам, которые уже потом стали рассматривать как двумерный аналог квазикристаллов Шехтмана, и твердость самого великого израильского химика, который не отказался от своего открытия. Но было еще одно открытие уже теоретическое, которое сделали молодой сотрудник Принстона Дов Левин (ныне преподаватель Техниона) и его научный руководитель Пол Стейнхардт. Они показали, что квазикристаллы Шехтмана на самом-то деле – нормальные кристаллы, но нормальные они в многомерном пространстве. Если вырезать из этой теоретической структуры 3-мерную область, она в точности окажется квазикристаллом Шехтмана. Когда в 2011 году Шехтману была присуждена Нобелевская премия, в определении нобелевского комитета было сказано, что его открытие "заставило ученых пересмотреть свои представления о самой природе материи".
Исследование квазикристаллов продолжается и сегодня. Новая работа ученых Техниона совместно с коллегами из университетов Германии опубликована в журнале Science.
Исследовательская группа продемонстрировала, что кристаллы более высоких размерностей определяют не только механические свойства квазикристаллов, но и их топологические свойства, то есть такие, которые остаются неизменными при непрерывных деформациях.
Исследователи изучили квазипериодические интерференционные картины электромагнитных поверхностных волн и обнаружили, что, хотя картины кажутся разными, их топологические свойства в двух измерениях совпадают. Они обнаружили, что единственный способ различить узоры – обратиться к "исходному" кристаллу более высокого измерения. Это подтверждает в том числе теорию Левина-Стейнхардта о структуре квазикристалла как проекции "правильного" многомерного кристалла. Изучение топологических свойств кристаллов позволяет по-новому рассмотреть проблему термодинамической устойчивости квазикристаллов, которая все еще не имеет окончательного решения.
Исследователи планируют распространить свои результаты на другие физические системы и более глубоко изучить взаимодействие термодинамических и топологических свойств. Потенциально топологические свойства квазикристаллов могут быть использованы для кодирования и передачи информации.