准晶体并非偶然：坚实证据证实其真实性与稳定性

发布日期：2025-06-17 浏览次数：2349

常规晶体（如盐或钻石）的原子在晶格中呈周期性重复排列。而准晶体中的原子遵循特定规则排列，却永不重复——如同铺满变幻图案的地砖。这正是四十年前发现的奇异材料"准晶体"的未解之谜。长久以来，科学家无法确定这类结构是真实存在，还是急速冷却形成的冻结副产物。即便存在性获证实，核心疑问犹存：准晶体是否具备热力学稳定性？抑或只是熔体急速冷却的产物（如同熔融玻璃冷却时原子未及有序排列便冻结为无序结构）？解答这些问题需计算准晶体内能并与其他晶体结构对比，但传统密度泛函理论（DFT）依赖材料重复单元的建模，面对非周期性准晶体时完全失效。

密歇根大学朴宇贤团队创新性地模拟准晶体纳米微粒，通过精确计算微结构能量并外推结果，成功估算完整准晶体的体能量。若该能量低于其他竞争相的总和，则表明准晶体具有能量优势及本质稳定性。

研究人员研究选取钪锌合金与镱镉合金两种经典准晶体验证。计算证实二者在对应元素组合中均达能量最低态，即原子自然趋向此类奇异排列绝非偶然，而是特定条件下最稳定的选择。但模拟过程挑战巨大：原子数量倍增导致计算量激增八倍。为此团队开发了新算法——通过减少处理器间通信需求，结合GPU加速技术实现百倍效率提升。此项工作终结了凝聚态物理领域的长期争论：尽管具备非周期性，准晶体仍可与常规晶体同等稳定。这颠覆了科学家对固态物质有序性的认知，为设计具复杂非重复结构的材料开辟新可能。其影响更超越准晶体本身。团队开发的非重复/无序系统能量计算方法，有望解决诸多领域难题：传统建模工具难以处理的非晶材料、玻璃体、异质固相界面行为；乃至量子材料研究——包括量子传感器与量子比特（qubit）等依赖晶体缺陷的量子器件。

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