En ny type symmetri:Hvordan et tetraedrisk stof kan være mere symmetrisk end et sfærisk atom

Forskere ved Tokyo Institute of Technology har teoretisk demonstreret, at specielle tetraeder-nanostrukturer sammensat af visse metaller har en højere grad af symmetri end den geometriske symmetri af sfæriske atomer. Nanomaterialer med unikke og hidtil usete elektriske og magnetiske egenskaber som følge af denne symmetri vil blive udviklet og brugt til næste generations elektroniske enheder.

At studere symmetri, et af de mest grundlæggende begreber inden for fysik og kemi, kan lette en dybere forståelse af de love, der former vores univers.

Atomer har naturligt den højeste grad af geometrisk symmetri, svarende til den sfæriske symmetri. En interessant egenskab, der ofte opstår som følge af symmetri, er en høj grad af degeneration - en karakteristik af kvanteenerginiveauer, hvor et givet energiniveau samtidigt kan svare til to eller flere forskellige tilstande i et kvantesystem. Degeneration giver anledning til egenskaber, herunder høj ledningsevne og magnetisme, som kunne udnyttes til at skabe nye elektroniske materialer. Desværre, givet begrænsningerne af geometrisk symmetri, intet stof vides at have en højere grad af degeneration end sfæriske atomer (fig. 1). Men hvad nu hvis stoffer kunne have en anden type symmetri, hvilket fører til en højere grad af degeneration? Hvordan kunne en sådan symmetri forklares?

Forskere fra Tokyo Institute of Technology, herunder prof. Kimihisa Yamamoto, satte sig for at demonstrere eksistensen af ​​metaller med sådanne typer symmetri. Holdet udledte, at specielle oppustede tetraederstrukturer lavet af specifikke metalatomer, såsom zink og magnesium, kan have en særlig type symmetri, der ikke skyldes geometriske egenskaber, men fra systemets dynamiske karakteristika. "Vi har demonstreret, at realistisk magnesium, zink, og cadmiumklynger med en specifik tetrahedral ramme besidder afvigende højere fold degenerationer end sfærisk symmetri, "forklarer Yamamoto.

Holdet brugte en tæt bindende modelanalyse, valideret med tæthedsfunktionsteoretiske beregninger, at identificere den generelle betingelse vedrørende bindingsinteraktioner mellem atomer ("overførselsintegralerne"), der giver anledning til den forudsagte dynamiske symmetri. "Overraskende nok, degenerationstilstanden kan repræsenteres som en elegant kvadratrods-matematisk sekvens, der involverer forholdet mellem overførselsintegralerne (fig. 2). Det er også imponerende, at denne sekvens allerede er blevet opdaget af Theodorus i det antikke Grækenland, uafhængigt af materialevidenskab, " siger Yamamoto.

Denne forskning viste, at nanomaterialer med en grad af symmetri højere end sfæriske atomer kan realiseres. De superdegenererede kvantetilstande som følge af denne dynamiske symmetri kunne udnyttes på flere måder, design af nye materialer med hidtil uset ledningsevne eller magnetiske egenskaber, varsler den næste generation af elektroniske enheder.