Квазикристалл. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Квазикристалл - твёрдое тело, состоящее из атомов, к-рые не образуют кристаллич. решётки, но тем не менее обладают дальним координац. порядком, проявляющимся в способности когерентно рассеивать падающее излучение (см. Дальний и ближний порядок). Дальний координац. порядок принципиально отличает К. от жидкостей и аморфных тел, а отсутствие подрешеток - от таких нестехиометрич. соединений, как т. н. алхим. золото (Hg_3-_dAsF₆). Как и вещества с волнами зарядовой и спиновой плотности (см. Волны зарядовой плотности ),К. является несоразмерной структурой, однако в отличие от них несоизмеримость К. обусловлена свойствами его точечной группы симметрии. Характерными для К. являются нефёдоровские группы симметрии, несовместимые с трансляционной инвариантностью кристаллов (см. Симметрия кристаллов ).Известен ряд материалов, имеющих группу симметрии правильного икосаэдра, содержащую запрещённые для фёдоровских групп оси симметрии 5-го порядка. Эти вещества можно разделить на два класса: "метастабильные" (напр., Аl₆Мn, UPd₃Si, Ti-Ni - V) и "стабильные" (напр., Al₆CuLi₃, Al-Сu-Fe, Al-Zn-Mg). Метастабильные К. получаются из расплава быстрым охлаждением, а при нагревании необратимо переходят в кристаллич. состояние. Электронограмма этих К. состоит из точечных рефлексов (рис. 1), характерных для обычных кристаллов (см. Электронография).

Рис. 1. Электронограмма квазикристалла Аl₆Мn.

Размер области, в к-рой имеется дальний координац. порядок, оценивается по обратной полуширине дифракционных пиков и для разных соединений составляет от 10 до 10³Е. Стабильные К. получаются при сколь угодно медленном охлаждении расплава, т. е. ему соответствует определённая область на диаграмме равновесных состояний. Дифракционные пики электронограммы имеют малую ширину, варьирующуюся от 10^-2 до 10^-5Е, т. е. размер области координац. упорядочения существенно больше, чем у метастабильных К. Как и для обычных кристаллов, группа симметрии проявляется в морфологии роста, приводя к образованию огранённых монокристаллов с икосаэдрич. симметрией (рис. 2). Помимо икосаэдрич. К., получены также К., группы симметрии к-рых содержат оси симметрии 8-го, 10-го и 12-го порядка, запрещённые для фёдоровских групп симметрии.

Рис. 2. Огранённые монокристалличесиие зёрна икосаэдрических К.: a) Al₆Cu Li₃-триаконтаэдрическая огранка; 6) А1-Сu-Fe - додекаэдрическая огранка.

Структуру икосаэдрич. К. можно описать двумя эквивалентными способами. Первый основывается на предложенном Р. Пенроузом (R. Penrose) методе построения непериодич. узоров, состоящих из двух разных элементов (рис. 3). Хотя у этого узора и его трёхмерного аналога, описывающего К., периодичность отсутствует, в расположении ромбов и соответствующих им атомов есть элементы упорядочения: 1) в узоре можно найти сколь угодно большие фрагменты с симметрией 5-го порядка; 2) структура квазипериодична - на достаточно больших расстояниях повторяются сколь угодно большие её участки; 3) узор обладает симметрией подобия - структура, получаемая удалением определ. набора атомов, отличается от исходной изменением масштаба в t=[(Ц5)+l]/2 раз; 4) атомы расположены в определённых плоскостях (в двумерном случае - на линиях), причём расстояние между плоскостями (линиями) может принимать 2 значения, к-рые чередуются в определённом порядке (связанном с числовым рядом Фибоначчи), отношение этих значений равно t;

Рис. 3. Плоский непериодический узор, составленный из двух типов ромбов с острыми углами 36° и 72°.

5) дифракц. картина от подобной структуры необычна: расположение атомов вдоль плоскостей приводит к Брэгговским пикам, причём, в отличие от кристаллов, точечные рефлексы плотно заполняют обратное пространство, тем не менее только малая доля пиков имеет большую интенсивность и может наблюдаться экспериментально. Положения пиков и распределение их интенсивностей, вычисленные для трёхмерного узора, качественно согласуются с экспериментом. Др. метод описания структуры икосаэдрич. К. основан на том, что группа икосаэдра содержится в группе симметрии шестимерного гиперкуба, к-рая совместима с трансляционной инвариантностью в шестимерном пространстве. Произвольный шестимерный периодич. кристалл с такой симметрией может быть использован для построения трёхмерной структуры. Для этого трёхмерное пространство рассматривается как гиперплоскость в шестимерном и часть атомов шестимерного кристалла, близкая к ней, проектируется на гиперплоскость. Изменяя шестимерный кристалл, можно получить различные трёхмерные структуры и, в частности, узор Пенроуза. Полученные т. о. структуры обладают свойствами 1-5. Выбор пространства др. размерности и гиперплоскости в нём позволяет описать структуры с произвольными нефёдоровскими симметриями.

Литература по квазикристаллам

Знаете ли Вы, как разрешается парадокс Ольберса?
(Фотометрический парадокс, парадокс Ольберса - это один из парадоксов космологии, заключающийся в том, что во Вселенной, равномерно заполненной звёздами, яркость неба (в том числе ночного) должна быть примерно равна яркости солнечного диска. Это должно иметь место потому, что по любому направлению неба луч зрения рано или поздно упрется в поверхность звезды.
Иными словами парадос Ольберса заключается в том, что если Вселенная бесконечна, то черного неба мы не увидим, так как излучение дальних звезд будет суммироваться с излучением ближних, и небо должно иметь среднюю температуру фотосфер звезд. При поглощении света межзвездным веществом, оно будет разогреваться до температуры звездных фотосфер и излучать также ярко, как звезды. Однако в дело вступает явление "усталости света", открытое Эдвином Хабблом, который показал, что чем дальше от нас расположена галактика, тем больше становится красным свет ее излучения, то есть фотоны как бы "устают", отдают свою энергию межзвездной среде. На очень больших расстояниях галактики видны только в радиодиапазоне, так как их свет вовсе потерял энергию идя через бескрайние просторы Вселенной. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.