Исследование, опубликованное в Nature Physics, показало, что загадочные квазикристаллы могут быть устойчивыми структурами материи. Эти необычные материалы сочетают в себе черты как кристаллов, так и стекла — они имеют упорядоченные, но не повторяющиеся атомные структуры.
Команда из Мичиганского университета впервые применила квантово-механические расчеты для оценки стабильности квазикристаллов. Это стало возможным благодаря новому алгоритму, который позволяет моделировать наночастицы без необходимости в бесконечно повторяющихся структурах. Такой подход обходит ограничения традиционного метода, основанного на теории функционала плотности, и позволяет точно оценить полную энергию вещества.
Квазикристаллы долго оставались загадкой с момента их открытия в 1984 году. Тогда ученые были удивлены тем, что атомы металлов могут располагаться в симметрии, которая исключает повторяемость. Несмотря на признание этого открытия Нобелевской премией, физикам до сих пор не удавалось точно объяснить, почему такие структуры устойчивы.
Авторы работы показали, что по крайней мере два квазикристалла — на основе скандия и цинка, а также иттербия и кадмия — устойчивы не за счет хаоса, как стекло, а благодаря минимальной внутренней энергии, как обычные кристаллы. Это означает, что такие материалы могут быть энтальпийно-стабилизированными — то есть их структура энергетически выгодна.
Созданный алгоритм также позволил ускорить вычисления в десятки раз благодаря оптимизации под графические процессоры. Это открывает путь к более точному моделированию аморфных материалов и может быть полезно для разработки новых квантовых технологий.
Необычные свойства квазикристаллов, сочетающие в себе признаки порядка и хаоса, наглядно показывают, как нестандартные атомные структуры могут привести к появлению новых классов материалов. Ранее Наука Mail рассказала о том, как ученые в России обнаружили взаимосвязь света и магнетизма в кристаллах, что тоже открывает перспективы для разработки элементов квантовых устройств.