Descoperire de senzaţie a cercetătorilor: cvasicristale de dimensiuni superioare, care ar putea fi utilizate în viitor pentru a reprezenta, codifica și transfera informații
În aprilie 1982, profesorul Dan Shechtman de la Institutul de Tehnologie Technion (Israel) a făcut descoperirea care mai târziu i-a adus Premiul Nobel pentru chimie în 2011: cristalul cvasiperiodic. Conform măsurătorilor de difracție efectuate cu un microscop electronic, noul material a apărut „dezorganizat” la scare mai mici, dar cu o ordine și simetrie diferită la scare mai mari. Această formă de materie a fost considerată imposibilă și a fost nevoie de mulți ani pentru a convinge comunitatea științifică de validitatea descoperirii.
Primii fizicieni care au explicat această descoperire au fost profesorul Dov Levine, pe atunci doctorand la Universitatea din Pennsylvania și acum membru al facultății la Departamentul de Fizică de la Technion, și consilierul său, profesorul Paul Steinhardt. Perspectiva-cheie care i-a permis explicația a fost aceea că cvasicristalele erau, de fapt, periodice, dar într-o dimensiune mai înaltă decât cea în care există fizic. Folosind această înțelegere, fizicienii au putut să descrie și să prezică proprietățile mecanice și termodinamice ale cvasicristalelor.
Conceptul unei dimensiuni spațiale superioare extinde spațiul nostru familiar tridimensional (lungime, lățime și înălțime) prin introducerea de direcții suplimentare care sunt perpendiculare pe toate trei. Acest lucru este greu de vizualizat, deoarece putem percepe lumea din jurul nostru doar ca un spațiu tridimensional și chiar mai greu de măsurat. Un exemplu de obiect cu patru dimensiuni este teseractul, cunoscut și sub numele de hipercub. Așa cum un cub este format din 6 fețe pătrate, un tesseract este format din 8 celule cubice. Deși nu putem vizualiza pe deplin un teseract, îl putem reprezenta prin proiecțiile sale, la fel ca umbra unui cub tridimensional apare pe o foaie de hârtie bidimensională.
Într-un nou studiu publicat în revista „Science”, cercetătorii de la Technion, împreună cu cei de la Universitatea din Stuttgart și Universitatea din Duisburg-Essen (Germania), aruncă o lumină nouă asupra acestui fenomen. Grupul de cercetare a demonstrat că cristalele de dimensiuni superioare nu numai că dictează proprietățile mecanice ale cristalelor cvasiperiodice, ci determină și proprietățile topologice ale acestora.
Topologia este o ramură a matematicii care investighează proprietățile geometrice care rămân neschimbate sub deformații continue. Topologia spațiilor de dimensiuni superioare se concentrează pe proprietățile obiectelor în mai mult de trei dimensiuni și poate ajuta cercetătorii, de exemplu, să studieze structura Universului și să dezvolte algoritmi de calcul cuantic. Cercetătorii au examinat modelele de interferență cvasiperiodice ale undelor electromagnetice de suprafață și au descoperit, spre surprinderea lor, că, deși modelele păreau diferite, proprietățile lor topologice bidimensionale nu au putut fi folosite pentru a le diferenția. Ei au descoperit că singura modalitate de a distinge între modele a fost prin referire la un cristal „original” mai mare.
Această descoperire este în concordanță cu explicația dată de Levine și Steinhardt, care s-a bazat pe o descoperire anterioară a matematicianului britanic Sir Roger Penrose (Premiul Nobel pentru fizică în 2020). Cercetătorii au descoperit, de asemenea, un alt fenomen intrigant: două modele topologice diferite ale undelor de suprafață păreau identice atunci când sunt măsurate după un interval de timp specific. Acest interval a fost extrem de scurt, măsurat în attosecunde, o miliardime dintr-o miliardime dintr-o secundă. Teoria originală a lui Levine și Steinhardt explică din nou acest fenomen ca o „competiție” între proprietățile topologice și termodinamice (energetice) ale cristalelor.
Descoperirile au fost realizate folosind două metode: microscopia optică cu scanare în câmp apropiat efectuată în laboratorul profesorului Guy Bartal de Dr. Kobi Cohen și microscopia electronică cu fotoemisie cu doi fotoni, măsurată în colaborare între Universitatea din Stuttgart și Universitatea din Duisburg-Essen din Germania. Descoperirile deschid calea pentru noi metode de măsurare a proprietăților termodinamice ale cristalelor cvasiperiodice. În viitorul apropiat, cercetătorii intenționează să-și extindă descoperirile la alte sisteme fizice și să examineze în continuare interacțiunea dintre proprietățile termodinamice și topologice. Potențial, proprietățile topologice unice ale cvasicristalelor de dimensiuni superioare ar putea fi utilizate în viitor pentru a reprezenta, codifica și transfera informații.
În aprilie 1982, profesorul Dan Shechtman de la Institutul de Tehnologie Technion (Israel) a făcut descoperirea care mai târziu i-a adus Premiul Nobel pentru chimie în 2011: cristalul cvasiperiodic. Conform măsurătorilor de difracție efectuate cu un microscop electronic, noul material a apărut „dezorganizat” la scare mai mici, dar cu o ordine și simetrie diferită la scare mai mari. Această formă de materie a fost considerată imposibilă și a fost nevoie de mulți ani pentru a convinge comunitatea științifică de validitatea descoperirii.
