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

放大字體  縮小字體 發(fā)布日期：2025-06-17  瀏覽次數(shù)：2407
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)）？解答這些問題需計算準(zhǔn)晶體內(nèi)能并與其他晶體結(jié)構(gòu)對比，但傳統(tǒng)密度泛函理論（DFT）依賴材料重復(fù)單元的建模，面對非周期性準(zhǔn)晶體時完全失效。

密歇根大學(xué)樸宇賢團(tuán)隊創(chuàng)新性地模擬準(zhǔn)晶體納米微粒，通過精確計算微結(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爭相的總和，則表明準(zhǔn)晶體具有能量優(yōu)勢及本質(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)晶體驗證。計算證實(shí)二者在對應(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)致計算量激增八倍。為此團(tuán)隊開發(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。此項工作終結(jié)了凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的長期爭論：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)家對固態(tài)物質(zhì)有序性的認(rèn)知，為設(shè)計具復(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)隊開發(fā)的非重復(fù)/無序系統(tǒng)能量計算方法，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。請謹(jǐn)慎采用，風(fēng)險自負(fù)。


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