Energikaskader i kvasikrystaller udløser en lavine af opdagelser

De fleste materialer, set på atomniveau, kommer i en af ​​to typer. Nogle materialer, som bordsalt, er meget krystallinske, hvilket betyder, at atomerne i materialet er arrangeret i ordnede og gentagne geometriske mønstre. Andre materialer, såsom glas, ikke vise en sådan organisation; i de tilfælde, atomerne er arrangeret i det, forskerne kalder en amorf struktur.

Et par specielle materialer, imidlertid, skræve linjen mellem krystallinsk og amorf. Disse materialer, kendt som kvasikrystaller, har atomare strukturer, der er geometrisk organiseret, men i modsætning til dem af krystallinske materialer, aldrig gentage sig selv. I en ny undersøgelse fra U.S. Department of Energy's (DOE's) Argonne National Laboratory, videnskabsmænd kiggede på netværk af magnetisk materiale mønstret i disse unikke og ret smukke geometrier for at se, hvordan karakteren af ​​de ikke-gentagende mønstre fører til fremkomsten af ​​usædvanlige energetiske effekter.

De enkle, men elegante geometriske mønstre i en kvasikrystal minder om et farvet glasvindue eller en buddhistisk mandala. "Kvasikrystaller er videnskabeligt interessante, fordi deres interne organisation skaber effekter, som du ikke ser i andre materialer, " sagde Argonne senior materialeforsker Amanda Petford-Long, der ledede undersøgelsen.

Ligesom forskellige stykker glas samles langs deres kanter for at skabe former og mønstre i et farvet glasvindue, en kvasikrystal indeholder junctions, der definerer dens adfærd. Selvom krydsene i en kvasikrystal, hvor forskellige former kommer sammen, kan indeholde forskellige antal skærende kanter, hvert kryds i en kvasikrystal udviser den samme grundlæggende fysiske præference - at være i den lavest mulige energitilstand. Imidlertid, fordi hvert punkt i kvasikrystallen konstant interagerer og konkurrerer med sine naboer, ikke alle hjørnerne kan være i deres laveste energitilstande på samme tid.

I forsøget Argonne-forskerne ønskede at se, hvordan kvasikrystallens struktur reagerede på at tilføje noget ekstra energi. "Vi kiggede på, om vi rent faktisk kunne overføre energi fra den ene side af gitteret til den anden, og for at afbilde de mønstre, der dukkede op, da vi forsøgte at gøre det, " sagde Argonne-materialeforsker Charudatta Phatak, en anden forfatter til undersøgelsen.

Til deres overraskelse, forskerne opdagede, at omfordelingen af ​​energi gennem kvasikrystallen fandt sted som en kædereaktion, der lignede de forgrenede grene af et lynnedslag. I modsætning til et mere konventionelt magnetisk gitter, hvor disse "laviner" af energiomfordeling kun sker i en enkelt retning, spredningen af ​​omfordelt energi gennem gitteret får et træ-lignende udseende.

Kvasikrystaller kunne give et eksempel på et system, som forskere har ledt efter:et netværk bestående af magnetiske øer, der kan udbrede og lagre information. Sådanne netværks adfærd afhænger af mængden af ​​energi, der lægges ind i systemet, ifølge Phatak.

At forstå den energiske adfærd i disse slags netværk er afgørende for udviklingen af ​​næste generation af computerudstyr, der kunne danne grundlaget for ting som kunstige neurale netværk, som ville være i stand til at udføre komplekse beregninger med meget lavt energiforbrug.