Czwarty wymiar w krysztale. Tę formę materii uważano za niemożliwą

Badania nad kwazikryształami prowadzone są od wielu lat i ostatecznie zostały uhonorowane Nagrodą Nobla. Ta niezwykła postać materii fascynuje naukowców, a ostatnie odkrycia wskazują na obecność dodatkowego wymiaru w jej strukturze.

Znaczący wkład w te badania wniósł Dov Levine z Uniwersytetu Pensylwanii, który udowodnił, że kwazikryształy charakteryzują się okresowością. Dotyczyło to jednak wyższego wymiaru, niż ten, w którym materialnie występują, co w perspektywie długoterminowej umożliwiło opisanie ich mechanicznych i termodynamicznych właściwości.

Najnowsze postępy zostały opisane w publikacji dostępnej obecnie w czasopiśmie Nature Physics. Autorzy artykułu przedstawiają działania skupione na identyfikacji dodatkowego wymiaru przestrzennego, co wydaje się sprzeczne z powszechną logiką, gdyż nasz świat postrzegamy https://www.science.org/doi/10.1126/science.adt2495jako trójwymiarowy. Przykładem obiektu, który wykracza poza tę regułę, jest hipersześcian.

Hipersześcian składa się z ośmiu sześciennych komórek, których nie da się bezpośrednio zobrazować, choć możliwe jest przedstawienie ich za pomocą projekcji. Naukowcy z Niemiec i Izraela postanowili dogłębnie zbadać tę koncepcję. Wspólnymi siłami doszli do wniosku, że kryształy o wyższych wymiarach determinują nie tylko mechaniczne, ale również topologiczne właściwości kwazikryształów.

Badania nad czwartym wymiarem obecnym w kwazikrysztale mogą otworzyć drogę do nowych odkryć w dziedzinie struktury wszechświata.

Topologia, czyli dziedzina badająca właściwości geometryczne niezmienne przy ciągłych odkształceniach, odnosi się w tym kontekście do obiektów funkcjonujących w przestrzeniach o więcej niż trzech wymiarach. Wnioski płynące z tych eksperymentów mogą znaleźć zastosowanie zarówno w badaniach nad strukturą wszechświata, jak i w opracowywaniu algorytmów do obliczeń kwantowych.

Podczas analizy wzorców interferencyjnych fal elektromagnetycznych rozchodzących się po powierzchni, zespół badawczy dokonał istotnej obserwacji. Okazało się, że mimo zauważalnych różnic między poszczególnymi wzorami, ich dwuwymiarowe właściwości topologiczne nie pozwalały na ich odróżnienie. Aby dokonać rozróżnienia, konieczne okazało się odniesienie do pierwotnego kryształu o wyższym wymiarze.

Dodatkowo, badacze zauważyli, że dwa odmienne wzorce topologiczne fal powierzchniowych – rejestrowane w określonym przedziale czasowym – wydawały się identyczne. Jednak ten przedział mierzony był w attosekundach, czyli na skali, z którą człowiek nie może operować bez specjalistycznego sprzętu. W ramach przeprowadzonych eksperymentów wykorzystano skaningową optyczną mikroskopię bliskiego pola oraz mikroskopię elektronową z fotoemisją dwufotonową.