Физики из университетов Токио и Тохоку впервые засняли рост квазикристалла. Для этого авторы использовали метод просвечивающей электронной микроскопии. Оказалось, что рост идет по принципу «исправления ошибок». Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters, его краткое изложение приводит журнал Physics.

Авторы работы изучали процесс роста квазикристалла сплава состава Al70.8Ni19.7Co9.5. Кристаллическая решетка этого материала обладает «запрещенной» осью симметрии десятого порядка — это значит, что при повороте вокруг своей оси на 360° кристаллическая решетка совместится сама с собой десять раз. Однако, геометрические соображения запрещают существование бесконечных периодических решеток с такой симметрией, поэтому в решетках квазикристаллов периодичность нарушена. Вид замощений, которыми описываются такие решетки, называется мозаикой Пенроуза.

Кадры из видео и решетка квазикристалла Al_70.8Ni_19.7Co_9.5 Изображение: Day Donaldson / Flickr.com

Периодичность слоев в исследуемом материале характеризуется так называемой решеткой Фибоначчи. Она строится следующим образом: есть широкие слои (W) и есть узкие слои (N); чтобы получить периодичность необходимо взять пару слоев WN, которую затем преобразовывать по закону W → WN, N → W.

WN
WNW
WNWWN
WNWWNWNW
WNWWNWNWWNWWN
 …

До настоящего момента не было известно, каким образом задается такая последовательность роста. В новой работе физики показали, что в реальности последовательность размещения слоев может нарушаться: вместо широкого слоя может появиться узкий слой, который затем исправится путем перестройки. Скорость перестройки напрямую зависит от температуры, при которой происходит процесс роста, так, при температуре 1183 K дефект исчезает примерно за секунду, а при температуре 1123 K на релаксацию уходит 10–20 секунд. За 15 секунд наблюдений физики увидели увеличение кристалла на 18,3 нанометра.

По словам авторов, понимание механизма позволяет лучше объяснить результаты различных попыток синтеза квазикристаллов. Так, резкое охлаждение кристаллов в процессе роста не позволяет получить идеальные мозаики Пенроуза, поскольку процесс перестройки дефектов не успевает произойти. Однако, если рост был достаточно медленным, или в случае длительного отжига после кристаллизации материала, образуются объекты с практически идеальной решеткой. В таких условиях им хватает времени на исправление дефектов.

Квазикристаллы были обнаружены Даном Шехтманом в 1982 году при исследовании сплавов Al6Mn. Их «выдала» необычная картина дифракции электронов, показавшая «запрещенную» симметрию в кристалле. За исследования в этой области Шехтман получил Нобелевскую премию в 2011 году.