Ученые впервые заглянули в четвертое измерение: как свет помог расшифровать 4D-структуру квазикристаллов?

Квазикристаллы, долгое время считавшиеся «невозможной» формой материи, могут оказаться трехмерными проекциями структур из четвертого измерения. Новое исследование международной группы ученых, опубликованное в Science, не только подтверждает эту гипотезу, но и демонстрирует, что их уникальные топологические свойства напрямую связаны с этой многомерной природой. Это открытие меняет фундаментальное понимание физики твердого тела и открывает путь к созданию материалов с принципиально новыми свойствами.

Нобелевская премия за «невозможное»

В 1982 году профессор Дан Шехтман, изучая сплав алюминия и марганца, обнаружил дифракционную картину, указывающую на упорядоченную, но не периодическую структуру. Атомы располагались квазипериодически — с определенным порядком, но без строгой повторяемости. Это противоречило основам кристаллографии, и научное сообщество встретило открытие с недоверием. Лишь Нобелевская премия по химии 2011 года окончательно закрепила за квазикристаллами статус новой формы материи.

Четырехмерная «тень»

Физики Дов Левин и Пол Стейнхардт выдвинули смелую гипотезу: квазикристаллы — это проекции идеальных кристаллических решеток, существующих в четырехмерном пространстве. По аналогии с тем, как тень трехмерного куба на стене является двумерным квадратом, квазикристалл — это трехмерная «тень» четырехмерного объекта. Математически это вполне возможно, хотя и трудно представить визуально.

Топология и аттосекундные колебания

В новом эксперименте ученые изучали взаимодействие электромагнитных волн с поверхностью квазикристалла. Анализируя сложные интерференционные узоры в двух измерениях, исследователи не могли определить, с каким именно квазикристаллом имеют дело. Единственный способ идентификации — «подняться» в четвертое измерение, к исходной структуре. Это открытие демонстрирует, что топологические свойства квазикристаллов (их форма с точки зрения непрерывных деформаций) неразрывно связаны с их четырехмерной «прародиной».

Более того, исследователи обнаружили, что на сверхмалых временных масштабах — в аттосекундах (миллиардных долях миллиардной доли секунды) — две разные топологические картины поверхностных волн могут становиться идентичными. Это объясняется «борьбой» между топологическими и термодинамическими свойствами квазикристалла, который на таких интервалах колеблется между разными состояниями.

Открытие квазикристаллов в 1982 году перевернуло представления о строении вещества. Долгие годы их уникальная структура оставалась загадкой, а практическое применение — ограниченным. Новое исследование не только подтверждает гипотезу о четырехмерной природе этих материалов, но и показывает, что их топология — не просто абстрактное математическое свойство, а ключевой фактор, определяющий физическое поведение. В перспективе это может привести к созданию принципиально новых материалов с уникальными механическими, оптическими и электронными свойствами, а также открыть путь к более устойчивым к помехам квантовым компьютерам и новым методам обработки информации.