Физики-теоретики предсказали существование так называемых квантовых квазикристаллов. Статья ученых появилась в журнале Physical Review Letters, а ее краткое изложение приводится на сайте Американского физического общества. Препринт работы доступен на сайте arXiv.org.
Квазикристаллы (подробно про них «Лента.ру» уже писала) были открыты Даном Шехтманом в 1982 году. За это открытие он удостоился Нобелевской премии по химии 2011 года. В квазикристаллах, в отличие от обычных кристаллов, кристаллическая решетка не переходит в себя при сдвигах на вектора (то есть типы ячеек и их ориентация могут повторяться, а совместное расположение — нет). В результате симметрии такой решетки — движения, переводящие кристалл в себя и определяющие его физические свойства — могут быть устроены отличным от симметрий обычного кристалла образом.
В рамках работы ученые рассматривали конденсат Бозе-Эйнштейна — особое состояние вещества, состоящего из бозонов, достигаемое при температурах, близких к абсолютному нулю. В таком состоянии достаточно большое число частиц оказывается на своем нижнем энергетическом уровне, поэтому квантовые эффекты начинают проявляться на макроскопическом уровне. Для простоты работы физики считали, что их конденсат двумерен — то есть бозоны располагаются на плоскости.
При должной настройке (в бозоны пришлось добавить фермионов и поместить его под лазерное излучение) волновая функция конденсата оказывается квазипериодической. Это означает, что ее максимумы и минимумы образуют двумерное замощение плоскости пятиугольниками и ромбами, которое не переходит в себя при сдвиге ни на какой вектор. Это замощение ученые назвали квазикристаллической квантовой структурой. Примечательно, что при разных параметрах эксперимента ученым удавалось получать и кристаллические структуры (впрочем, термин «квантовый кристалл» зарезервирован уже для другого объекта).
Известно, что обычные квазикристаллы обладают рядом интересных свойств. Например, они плохо проводят электричество при отличных механических свойствах. Кроме этого в квазикристаллах наблюдаются фононные возмущения — возмущения особого рода, при которых атомы перестраиваются без изменения энергии системы. Физики надеются, что квантовые кристаллы окажутся еще интереснее в плане особенностей — свойства этих объектов ученые пока предсказать не могут.
Мозаика Пенроуза
Найденное ученым замощение плоскости напоминает замощение Пенроуза. В 1976 году математик Роджер Пенроуз предложил свой вариант апериодического замощения, состоящего из двух плиток — двух ромбов с одинаковыми сторонами, но разными углами (36 и 144 градуса и 72 и 108 градусов соответственно). Эта мозаика возникает как проекция 6-мерной решетки на двумерную плоскость.