Mellan kemilektionerna, ädelstenar, och elektronik, idén om kristaller, det är, ämnen med ett ordnat och periodiskt arrangemang av atomer är ganska vanligt. Men för ungefär 40 år sedan, en konstig partikel upptäcktes av forskare som inte har blivit vardag i vår värld ännu:kvasikristaller. Det här är strukturer med märkliga atomarrangemang, som, medan ytligt liknar kristaller, saknar periodicitet trots beställning. På grund av deras strukturer, kvasikristaller uppvisar symmetrier som är förbjudna för kristaller och är utrustade med intressanta egenskaper som kristaller inte kan visa, såsom högt motstånd mot värmeflöde, nuvarande flöde, och korrosion.

Sedan deras upptäckt, kvasikristaller har undersökts omfattande av materialforskare runt om i världen. På grund av deras sällsynthet, forskare har ofta tillgripit att studera modeller som härmar dem, kallas approximanter. Nyligen, i en klass av guldbaserade approximanter, kallas "Tsai-typ approximanter", närvaron av magnetisk ordning upptäcktes vars typ kan styras av sammansättningen av approximanterna - en spännande möjlighet för materialforskare att utforska.

I sådana approximationer av ökande komplexitet, som den som består av guld (Au), aluminium (Al), och terbium (Tb), den magnetiska ordningen visade sig vara antiferromagnetisk, där varje jon i kristallen fungerar som en liten magnet med sina poler motsatta grannarnas. I en ny studie publicerad i Fysisk granskning B, Prof. Ryuji Tamura från Tokyo University of Science (TUS), Japan, tillsammans med sina kollegor Sam Coates från TUS, och Hem Raj Sharma och Ronan McGrath från University of Liverpool, utforskade den atomära strukturen hos den antiferromagnetiska ytan denna ungefärliga Tsai-typ. Prof. Tamura, som ledde studien, säger:"Au-baserade Tsai-approximanter är undersökta jämfört med deras silver (Ag)-baserade motsvarigheter, särskilt inom området ytvetenskap. Att förstå strukturerna hos dessa material av Tsai-typ kommer att möjliggöra djupgående tolkningar av deras specifika egenskaper, såsom magnetiska övergångar, elektroniska funktioner, och supraledning." Deras studie gav oväntade resultat.

Byggstenarna för approximanter av Tsai-typ är "kluster av Tsai-typ", polyedriska skal vars antal sidor beror på varianten av approximanten. I sin studie, Prof. Tamuras team valde en 1/1 variant av Au-Al-Tb approximant där en tetraedrisk enhet var innesluten i en dodekaeder, icosahedron, icosidodecahedron, och rombisk triakontaeder. Tb-atomerna ockuperade hörnen på icosahedronen medan Au/Al-atomerna ockuperade hörnen på de återstående skalen.

Forskarna tittade på en specifik yta av en enskild kristall av 1/1 Au-Al-Tb med hjälp av ett scanning tunneling microscope (STM) och backade upp sina observationer med beräkningar av densitetsfunktionsteori (DFT).

De fann att ytan hade en märklig stegterrassliknande struktur med terrasserna som slutade vid plan som innehåller Tb-atomer och en steghöjd som, intressant, verkade minimera antalet ofullständiga ikosaedrar. Vidare, de fann att terrassstrukturen berodde på tecknet på den förspänning som applicerades på provet. Medan man har positiv fördom, Tb-atomerna visade ett romboedriskt eller hexagonalt arrangemang, negativ bias avslöjade att Au/Al-atomerna var ordnade i en linjär radliknande struktur, ett slags växling som inte observerats i ett material av Tsai-typ tidigare. "Eftersom detta är det första materialet av Tsai-typ som visar ett sådant schema, vi behöver ytterligare undersöka Au-baserade Tsai-typer för att bedöma om kemisk sammansättning har en roll att spela i ytstrukturen, " kommenterar prof. Tamura. Observationerna överensstämde med DFT-beräkningar.

Medan kvasikristaller har hittat flera tillämpningar, allt från kirurgiska instrument, Lysdioder till non-stick stekpannor, de är långt ifrån väl förstådda och de senaste fynden i kvasikristallliknande strukturer tjänar till att antyda de outnyttjade exotiska möjligheter de har. "Den unika strukturen hos ytan av Tsai-typ antyder att kvasikristaller kan användas som en mall för molekylär adsorption vid skapandet av organiska halvledande tunna filmer, " Prof. Tamura säger. "Förståelse av hur strukturförändringen motsvarar magnetismen kan öppna dörrar till nya applikationer, " han lägger till.

En sak är säker:kvasikristallen är lite tydligare!