В научном мире произошло событие, которое ранее считалось почти невозможным: исследователям из Университета Брауна и Мичиганского университета удалось не только создать, но и стабилизировать совершенно новую фазу материи, существовавшую прежде лишь в виде абстрактных теоретических построений. Ключом к этому прорыву стало скрупулезное манипулирование мельчайшими частицами серебра, которые были организованы в строго определенную архитектуру. Как сообщает новостной портал, это достижение способно кардинально изменить ландшафт квантовых технологий, открыв дорогу к созданию устройств нового поколения.
Опубликованная в авторитетном журнале Наука, работа описывает фиксацию промежуточного структурного состояния, возникающего в момент перехода между двумя распространенными кристаллическими решетками, типичными для металлов. Помимо фундаментального значения для понимания механизмов таких трансформаций, полученный материал демонстрирует необычные оптические свойства, которые, по мнению ученых, могут найти применение в сфере квантовых вычислений и других областях квантовой информатики. По сути, новый подход к проектированию материалов позволяет шаг за шагом конструировать структуры с заданными характеристиками, используя специально разработанные наночастицы в качестве базовых элементов.
«Наша работа немного похожа на игру детей с кубиками LEGO», — пояснил Оу Чен, доцент кафедры химии Брауновского университета и один из авторов исследования. «Мы синтезируем уникальные наноразмерные строительные блоки и собираем из них интересные структуры. В этом случае нам удалось стабилизировать эти теоретические переходные структуры и выявить их важные квантово-оптические свойства».
Уловить недостающий шаг в кристаллических преобразованиях
В основе открытия лежит давно известный феномен: многие металлы могут существовать в одной из двух основных кристаллических конфигураций — гранецентрированной кубической (FCC) и объемноцентрированной кубической (BCC). В структуре FCC атомы упакованы максимально плотно, занимая каждый угол куба и центр каждой его грани. Структура BCC, напротив, менее плотная: частицы располагаются в вершинах куба, а одна дополнительная частица находится в его центре.
Некоторые металлы способны переключаться между этими состояниями под воздействием температуры. Классическим примером служит железо, которое изменяет свою решетку с BCC на FCC при нагреве до 912 градусов Цельсия. Долгое время ученые строили гипотезы о том, как именно происходит этот переход. Одна из ведущих моделей, известная как путь Нисиямы-Вассермана, предполагает существование серии короткоживущих промежуточных структур, возникающих в процессе трансформации. Однако из-за своей крайней нестабильности и быстротечности эти промежуточные фазы оставались практически недоступными для прямого наблюдения.
Новое исследование позволило не только зафиксировать эти эфемерные состояния, но и стабилизировать их, открыв тем самым новые горизонты для создания материалов с уникальными, программируемыми заранее свойствами.
етные структурные состояния с помощью наночастиц серебра.
«Материаловеды уже давно заботятся о том, как контролировать количество ГЦК и ОЦК в своих метах, но переходы между фазами живых существ было трудно изучить, поскольку они очень отдаленны», — сказал он. Сказал Тим Мур, соавтор исследований и помощник научного сотрудника, работающий в лаборатории Шэрона Глотцера в Мичиганском университете. «Возможность наблюдения за этой структурой является фундаментальным прорывом в науке о материалах и дает нам больший контроль над разработкой наноматериалов».
Создание новых материалов из нестандартных наночастиц
Чтобы создать новые структуры, исследователи синтезировали наночастицы серебра в форме усеченных октаэдров, которые они назвали «меконами». Эти частицы напоминают ромбовидную форму со срезанными углами, создавая 14-стороннюю геометрию.
По словам Чена, эта форма особенно полезна, поскольку она находится между сферой и кубом, двумя формами, которые продолжают складываться вместе по-разному.
Команда под руководством старшего научного сотрудника и ведущего автора исследования Ясутаки Нагаока скорректировала условия нагрева во время синтеза, чтобы получить меконы с различной степенью округлости и кубообразными результатами. Затем они покрыли частицы длинными молекулярными цепочками, которые действуют как липкие соединения и позволяют им собираться в более четкие структурные структуры, созданные как сверхрешетки наночастиц.
Объединив лабораторные наблюдения с подробным компьютерным моделированием, выполненным в рамках правительства Глотцера из Мичиганского университета, исследователи обнаружили, что эти молекулярные покрытия создают решающую роль в алгоритме, соответствующем переходным структурам, предсказанным методом Нишиямы-Вассермана.
«Вы можете представить их как волосатые частицы», — сказал он. — сказал Мур. «Волоски достаточно гибкие, поэтому частицы имеют большую свободу перемещения, но они также хорошо прилегают друг к другу, что позволяет частицам сцепляться друг с другом».
Кванто-оптические эффекты при нагревании
Недавно собранные серебряные сверхрешетки продемонстрировали еще одно замечательное свойство при воздействии света.
Исследователи наблюдали признаки очень сильного взаимодействия света и материи — явлений, при которых электроны внутри наночастиц серебра колеблются идеально синхронно со световыми волнами и становятся квантовомеханически запутанными.
реализовывает квантово-оптические эффекты часто с чрезвычайно низкими температурами. Однако новый материал показал, что компьютеры ведут себя таким образом при низкой температуре.
Это открытие может стать основой для разработки будущих материалов, связанных с квантовыми вычислениями, сенсорными технологиями и другими передовыми квантовыми технологиями.
«Каждый раз, когда вы сможете определить новую фазу материи, появятся новые приложения», — сказал он. — сказал Чен.
Исследование было поддержано несколькими грантами международных научных фондов (DMR-1943930, CHE-2203700, EAR−2223273, CBET-2230729, CBET-2230891, 2243104, DMR 140129, 2138259, 2138286, 2138307, 2137603, 2138296) и Министерства энергетики (DE-SC0012704, DOE-NNSA, DE-NA-0003975).