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

Представьте себе мир, где привычные нам три измерения — длина, ширина и высота — лишь малая часть реальности. Мир, где существуют дополнительные измерения, недоступные нашему непосредственному восприятию, но оказывающие фундаментальное влияние на свойства материи. Звучит как научная фантастика? Вовсе нет. Это — реальность квазикристаллов, удивительных структур, открытых в 1982 году и перевернувших представления о строении вещества.

Нобелевская премия за «невозможное»

Профессор Дан Шехтман, изучая сплав алюминия и марганца, обнаружил нечто странное: дифракционная картина, полученная с помощью электронного микроскопа, указывала на упорядоченную структуру, но… не такую, как у обычных кристаллов. Атомы располагались не периодически, а квазипериодически — с определенным порядком, но без строгой повторяемости. Это было похоже на мозаику, выложенную по сложным, не до конца понятным правилам.

Научное сообщество встретило открытие Шехтмана с недоверием. Ведь квазипериодичность, казалось бы, противоречила фундаментальным законам кристаллографии! Потребовались годы, чтобы доказать реальность этого явления. И лишь Нобелевская премия по химии 2011 года окончательно закрепила за квазикристаллами статус новой формы материи.

Секрет — в четвертом измерении?

Разгадать тайну квазикристаллов помогли физики Дов Левин и Пол Стейнхардт. Они выдвинули смелую гипотезу: квазикристаллы — это проекции структур, существующих в… четвертом измерении!

Поясним. Мы живем в трехмерном мире. Добавьте к нему еще одно измерение, перпендикулярное всем трем. Представить это сложно, но математически — вполне возможно. В таком четырехмерном пространстве может существовать «идеальный» кристалл, а его «тень», отбрасываемая в наш трехмерный мир, и будет квазикристаллом. По аналогии: если вы посветите фонариком на куб, то на стене увидите его двумерную проекцию — квадрат. Так и квазикристалл — это трехмерная «проекция» четырехмерного объекта.

Топология и «игра» измерений

Недавнее исследование, опубликованное в престижном журнале Science, не только подтвердило эту гипотезу, но и выявило новые, удивительные свойства квазикристаллов. Международная группа ученых, включающая исследователей из Израиля и Германии, изучала взаимодействие света с поверхностью квазикристалла.

Ученые использовали специальные электромагнитные волны, «бегущие» по поверхности материала. Эти волны создавали сложные интерференционные узоры, которые, казалось бы, должны были отличаться друг от друга. Но… нет! Оказалось, что, анализируя эти узоры в привычных нам двух измерениях, невозможно понять, с каким именно квазикристаллом мы имеем дело. Единственный способ — «подняться» в четвертое измерение, к «исходной» структуре.

Это открытие связано с понятием топологии. Топология — это раздел математики, который изучает свойства объектов, сохраняющиеся при непрерывных деформациях (как, например, если бы они были сделаны из пластилина). Грубо говоря, с точки зрения топологии, кружка и бублик — это одно и то же (в бублике можно «продавить» углубление и превратить его в кружку).

Оказалось, что топологические свойства квазикристаллов тесно связаны с их четырехмерной «прародиной». И именно эти свойства, а не только привычные нам механические характеристики, определяют поведение квазикристаллов.

Аттосекунды: мгновения, меняющие реальность

Но и это еще не все. Исследователи обнаружили, что две разные топологические картины поверхностных волн могут становиться идентичными через… невероятно короткий промежуток времени. Речь идет об аттосекундах — миллиардных долях миллиардной доли секунды!

Это явление объясняется своеобразной «борьбой» между топологическими и термодинамическими (энергетическими) свойствами квазикристаллов. Грубо говоря, на таких сверхмалых временных масштабах квазикристалл «колеблется» между разными состояниями, определяемыми как его четырехмерной «формой», так и энергетическими характеристиками.

Зачем нам это знать?

Изучение квазикристаллов — это не просто красивая научная головоломка. Это — ключ к пониманию фундаментальных законов природы и, возможно, к созданию принципиально новых технологий.

В перспективе, уникальные свойства квазикристаллов могут быть использованы, например, для:

• Создания новых материалов: с необычными механическими, оптическими и электронными свойствами.

• Разработки новых методов обработки информации: четырехмерная «природа» квазикристаллов может открыть путь к созданию более емких и быстрых носителей информации.

• Квантовых вычислений: топологические свойства квазикристаллов могут стать основой для создания новых, более устойчивых к помехам квантовых компьютеров.

Исследование квазикристаллов — это путешествие в неизведанное, выход за пределы привычного, взгляд в глубины многомерной реальности. И, кто знает, какие еще удивительные открытия ждут нас на этом пути?