準(zhǔn)晶體并非偶然:堅(jiān)實(shí)證據(jù)證實(shí)其真實(shí)性與穩(wěn)定性

發(fā)布日期:2025-06-17 瀏覽次數(shù):
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常規(guī)晶體(如鹽或鉆石)的原子在晶格中呈周期性重復(fù)排列。而準(zhǔn)晶體中的原子遵循特定規(guī)則排列,卻永不重復(fù)——如同鋪滿變幻圖案的地磚。這正是四十年前發(fā)現(xiàn)的奇異材料"準(zhǔn)晶體"的未解之謎。長(zhǎng)久以來,科學(xué)家無法確定這類結(jié)構(gòu)是真實(shí)存在,還是急速冷卻形成的凍結(jié)副產(chǎn)物。即便存在性獲證實(shí),核心疑問猶存:準(zhǔn)晶體是否具備熱力學(xué)穩(wěn)定性?抑或只是熔體急速冷卻的產(chǎn)物(如同熔融玻璃冷卻時(shí)原子未及有序排列便凍結(jié)為無序結(jié)構(gòu))?解答這些問題需計(jì)算準(zhǔn)晶體內(nèi)能并與其他晶體結(jié)構(gòu)對(duì)比,但傳統(tǒng)密度泛函理論(DFT)依賴材料重復(fù)單元的建模,面對(duì)非周期性準(zhǔn)晶體時(shí)完全失效。
密歇根大學(xué)樸宇賢團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地模擬準(zhǔn)晶體納米微粒,通過精確計(jì)算微結(jié)構(gòu)能量并外推結(jié)果,成功估算完整準(zhǔn)晶體的體能量。若該能量低于其他競(jìng)爭(zhēng)相的總和,則表明準(zhǔn)晶體具有能量?jī)?yōu)勢(shì)及本質(zhì)穩(wěn)定性。
研究人員研究選取鈧鋅合金與鐿鎘合金兩種經(jīng)典準(zhǔn)晶體驗(yàn)證。計(jì)算證實(shí)二者在對(duì)應(yīng)元素組合中均達(dá)能量最低態(tài),即原子自然趨向此類奇異排列絕非偶然,而是特定條件下最穩(wěn)定的選擇。但模擬過程挑戰(zhàn)巨大:原子數(shù)量倍增導(dǎo)致計(jì)算量激增八倍。為此團(tuán)隊(duì)開發(fā)了新算法——通過減少處理器間通信需求,結(jié)合GPU加速技術(shù)實(shí)現(xiàn)百倍效率提升。此項(xiàng)工作終結(jié)了凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的長(zhǎng)期爭(zhēng)論:盡管具備非周期性,準(zhǔn)晶體仍可與常規(guī)晶體同等穩(wěn)定。這顛覆了科學(xué)家對(duì)固態(tài)物質(zhì)有序性的認(rèn)知,為設(shè)計(jì)具復(fù)雜非重復(fù)結(jié)構(gòu)的材料開辟新可能。其影響更超越準(zhǔn)晶體本身。團(tuán)隊(duì)開發(fā)的非重復(fù)/無序系統(tǒng)能量計(jì)算方法,有望解決諸多領(lǐng)域難題:傳統(tǒng)建模工具難以處理的非晶材料、玻璃體、異質(zhì)固相界面行為;乃至量子材料研究——包括量子傳感器與量子比特(qubit)等依賴晶體缺陷的量子器件。
特別提示:本信息由相關(guān)企業(yè)自行提供,真實(shí)性未證實(shí),僅供參考。請(qǐng)謹(jǐn)慎采用,風(fēng)險(xiǎn)自負(fù)。
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