دانشمندان فیزیک عجیب شبه بلور‌ها را رمزگشایی می‌کنند

به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، مطالعه جدید روی شبه بلور‌ها نشان می‌دهد که الگو‌هایی که در طبیعت می‌بینیم می‌توانند فقط سایه‌هایی از یک واقعیت پنهان از ابعاد بالاتر باشند.

تیمی از محققان بین المللی نشان داده‌اند که ساختار‌های چهار بعدی می‌توانند بر خواص مکانیکی و توپولوژیکی بلور‌های شبه تناوبی تأثیر بگذارند. این یافته تأیید می‌کند که شبه بلور‌ها توسط فیزیک با ابعاد بالاتر پنهان شکل می‌گیرند، نه فقط الگو‌های تصادفی.

کریستال شبه دوره‌ای (که شبه بلور نیز نامیده می‌شود) یک ماده جامد با ساختار مرتب است که هرگز دقیقاً تکرار نمی‌شود، مانند آنچه در کریستال‌های معمولی اتفاق می‌افتد، اما از قوانین ریاضی خاصی پیروی می‌کند.

این کریستال اولین بار در سال ۱۹۸۲ توسط دانشمند اسرائیلی دان شختمن کشف شد. او پیشنهاد کرد که یک شبه بلور نیز ساختاری تکرار شونده (تناوبی) دارد، اما نه در فضای سه بعدی که آن را می‌بینیم. در عوض، الگوی تناوبی واقعی آن در فضایی با ابعاد بالاتر، مانند ۴ بعدی یا فراتر از آن وجود دارد. مطالعه جدید بینش جدیدی در مورد این جنبه چهارم بعدی شبه بلور ارائه می‌دهد.

ورود به ۴ بعدی از طریق توپولوژی شبه کریستالی

نویسندگان مطالعه یک شبه کریستال را در معرض امواج الکترومغناطیسی قرار دادند و سپس تغییرات توپولوژی آنها را با استفاده از میکروسکوپ نوری روبشی میدان نزدیک (NSOM) و میکروسکوپ الکترونی انتشار فوتونی دو فوتونی (۲PPE) مورد مطالعه قرار دادند.

NSOM تکنیکی است که از یک کاوشگر کوچک برای اسکن یک سطح و گرفتن تصاویر فوق‌العاده دقیق استفاده می‌کند و ویژگی‌هایی کوچک‌تر از آنچه که میکروسکوپ‌های نوری معمولی می‌توانند ثبت کنند، آشکار می‌کند.

از سوی دیگر، ۲PPE نحوه رفتار الکترون‌ها در مواد را با برانگیختن آنها با دو فوتون و اندازه گیری انرژی آنها نشان می‌دهد.

هنگامی که محققان از این تکنیک‌ها برای بررسی الگو‌های تداخل امواج الکترومغناطیسی روی سطح یک شبه بلور استفاده کردند. نحوه حرکت و تداخل این امواج با یکدیگر، اثر انگشت پنهان بعد چهارم را در ساختار شبه بلور آشکار کرد.

به عنوان مثال، در ابتدا، الگو‌ها متفاوت به نظر می‌رسیدند، اما به طور شگفت انگیزی خواص توپولوژیکی آنها در دوبعدی یکسان بود تا جایی که نمی‌توان آنها را از هم جدا کرد. تنها راه تشخیص آنها با مراجعه به یک کریستال با ابعاد بالاتر بود.

نویسندگان مطالعه خاطرنشان می‌کنند: ما بردار‌های بار توپولوژیکی را در چهار بعد (۴ بعدی) کشف کردیم که بر توپولوژی فضای واقعی شبه بلور‌های دوبعدی حاکم است و قوانین حفاظت ذاتی آنها را آشکار می‌کند.

شواهد بیشتر از تأثیر ابعاد بالاتر

چند سال پس از کشف شبه کریستال دن شختمن، دو دانشمند پل استاینهارت و داو لوین مدل‌های نظری و چارچوب‌هایی ارائه کردند که ویژگی‌های این بلور‌ها را توضیح می‌داد.