Мир науки постоянно расширяет границы понимания о природе материалов, и одной из самых захватывающих областей остается исследование квазикристаллов. В 2023 году математики впервые представили уникальную плитку, названную «шляпа», которая приковала внимание ученых по всему миру. Эта 13-гранная фигура стала первым известным «айнштайном» — плиткой, способной покрыть бесконечную плоскость без зазоров и наложений, но при этом без какой-либо периодичности или повторяющейся структуры. Но если математика уже заявила о своём открытии, теперь пришла очередь физики, где теоретические материалы, основанные на этой плитке, начинают демонстрировать необычные свойства, способные изменить подходы в создании новых веществ и устройств. Основные отличия квазикристалла, построенного на «шляпе», от классических кристаллов заключаются в порядке и структуре.
Кристаллы известны своей регулярной и повторяющейся решёткой, где атомы располагаются строго в повторяющемся узоре. Квазикристаллы же обладают упорядоченной, но не повторяющейся структурой, что накладывает на них уникальные физические свойства. Эти материалы могли существовать лишь в теории, однако благодаря открытиям в области математики и вычислительной физики ученые смогли предсказать, какими могут стать настоящие объекты, созданные по таким принципам. Исследования, проведенные группой учёных под руководством физика Адольфо Грушина из Института Нель в Гренобле, Франция, пролили свет на то, как может вести себя «шляпный» квазикристалл на уровне электронных свойств. Согласно современным представлениям из квантовой механики, электроны в таких материалах ведут себя как волны, а их энергия и длина волны связаны между собой сложными отношениями, отражающими структуру вещества.
Грушин и его коллеги выяснили, что расположение атомов в вершинах плиток «шляпы» формирует узор, частично напоминающий шестигранную решётку графена — знаменитого двухмерного материала из углерода с уникальными электрическими свойствами и большой перспективой для техники. Графен уже давно завоевал статус «чудо-материала» благодаря своей высокой проводимости, прочности и гибкости. Однако в отличие от графена, квазикристалл на основе «шляпы» обладает хиральностью, то есть свойствами, которые изменяются при зеркальном отражении. Такая характеристика сулит открытия в области оптики и фотоники, поскольку может повлиять на взаимодействие с поляризацией света, создавать эффект вращения плоскости его колебаний и даже новые способы управления световыми сигналами. Одним из самых интересных проявлений электронных свойств нового материала стала реакция на воздействие магнитного поля.
Исследования показали, что при увеличении такого поля в узлах, соответствующих обращённым зеркальным «шляпам», электроны с нулевой энергией начинают локализовываться и «запираться». Это явление указывает на возможность создания материалов с уникальными квантовыми состояниями, которые могут иметь применение в квантовых вычислениях и других передовых технологиях. Уникальность «шляпного» квазикристалла еще и в том, что для его создания требуется всего одна форма плитки. Все известные ранее апериодические покрытия плоскости, такие как известные пенроузовские мозаики, требовали комбинации нескольких различных форм. Использование единственной плитки упрощает понимание структуры и возможно приведет к новым методам синтеза материалов с требуемыми свойствами.
Использование «шляпы» не ограничивается лишь теоретическим описанием. Учёные предлагают практические пути создания подобных структур. Так, с развитием технологий наномасштабного конструирования и позиционирования молекул на поверхностях, уже сейчас возможно вручную расставлять атомы или молекулы в нужных точках, имитируя узор «шляпы». Такой метод позволяет не только проверить теоретические предсказания, но и потенциально создавать функциональные материалы с заданными характеристиками. Таким образом, прогресс в математической теории и физическом моделировании открывает двери в новую эпоху материаловедения, где квазикристаллы будут играть ключевую роль.
Структуры, подобные «шляпе», объединяют необычные симметрии и свойства, ранее невозможные в традиционных кристаллах, и предлагают новые решения для электроники, фотоники и квантовых технологий. В обозримом будущем можно ожидать не только синтеза подобных материалов в лабораториях, но и развития их промышленного применения. Приобретаемые черты — хиральность, реакция на магнитные поля и графеноподобные энергетические структуры — открывают большой потенциал для создания новых устройств, способных работать в уникальных условиях и с повышенной эффективностью. Научное сообщество продолжает исследовать возможности и ищет пути интеграции квазикристаллов в практическую жизнь, что обещает прорывы в современной науке и технике. В целом, открытие и изучение квазикристалла на основе плитки «шляпа» — это не просто очередной шаг в теории, а начало новой эры понимания материи и создания инновационных материалов.
Эти разработки демонстрируют, как тесная связь между математикой и физикой позволяет раскрыть новые горизонты науки и приблизить нас к технологиям будущего, которые еще недавно казались фантастикой.
