Учёные из Израильского технологического института Техниона и их коллеги из немецких университетов раскрыли новые свойства квазикристаллов, обнаружив их связь с высшими измерениями. Исследование, опубликованное в журнале Science, проливает свет на топологические характеристики этих необычных материалов, открытых в 1982 году профессором Даном Шехтманом.

Квазикристаллы, за открытие которых Шехтман получил Нобелевскую премию по химии в 2011 году, долгое время считались невозможными в природе. Эти материалы выглядят неупорядоченными на малых масштабах, но обладают чёткой симметрией при рассмотрении в более крупном масштабе. Первое теоретическое объяснение этого феномена предложили профессор Дов Левин и его научный руководитель профессор Пол Стейнхардт, предположив, что квазикристаллы периодичны в более высоких измерениях, чем те, в которых они физически существуют.

На иллюстрации: тессеракт (четырёхмерный куб) и «тень», которую он отбрасывает на плоскость — квазикристалл. Источник: Florian Sterl, Sterltech Optics

Новое исследование, проведённое международной группой учёных, показало, что высшие измерения определяют не только механические, но и топологические свойства квазикристаллов.

Учёные изучали квазипериодические интерференционные картины электромагнитных поверхностных волн и обнаружили, что, несмотря на видимые различия, их топологические свойства в двух измерениях неразличимы. Единственным способом дифференцировать эти картины оказалось обращение к «исходному» кристаллу в высших измерениях.

Кроме того, исследователи наблюдали интересное явление: два различных топологических паттерна поверхностных волн выглядели идентично при измерении через определённый временной интервал, составляющий всего лишь аттосекунды – миллиардную долю миллиардной доли секунды. Это явление объясняется «конкуренцией» между топологическими и термодинамическими свойствами кристаллов.

Для проведения экспериментов учёные использовали две методики: ближнепольную сканирующую оптическую микроскопию и двухфотонную фотоэмиссионную электронную микроскопию. Полученные результаты открывают новые возможности для измерения термодинамических свойств квазипериодических кристаллов.

В будущем исследователи планируют расширить свои выводы на другие физические системы и глубже изучить взаимосвязь между термодинамическими и топологическими свойствами. Потенциально уникальные топологические свойства квазикристаллов в высших измерениях могут найти применение в представлении, кодировании и передаче информации, что открывает новые горизонты в области квантовых вычислений и изучении структуры Вселенной.

Подробнее на iXBT