Sfäriska atomer har den högsta geometriska symmetrin, och därmed uppvisar den stora mångfalden av kvanttillstånd, brukar kallas degeneration. Man har länge trott att någon polyatomisk art inte kan överstiga en sfär på grund av geometriska begränsningar. Dock, en uppblåst tetraeder uppvisar den anomala degenerationen som överstiger sfäriska atomer. Kreditera: Naturkommunikation
Forskare vid Tokyo Institute of Technology har teoretiskt visat att speciella tetraeder -nanostrukturer sammansatta av vissa metaller har en högre grad av symmetri än den geometriska symmetrin för sfäriska atomer. Nanomaterial med unika och aldrig tidigare skådade elektriska och magnetiska egenskaper som härrör från denna symmetri kommer att utvecklas och användas för nästa generations elektroniska enheter.
Studerar symmetri, ett av de mest grundläggande begreppen inom fysik och kemi, kan underlätta en djupare förståelse av lagarna som formar vårt universum.
Atomer har naturligtvis den högsta graden av geometrisk symmetri, motsvarande den sfäriska symmetrin. En intressant egenskap som ofta härrör från symmetri är en hög grad av degeneration - en egenskap hos kvantenerginivåer där en given energinivå samtidigt kan motsvara två eller flera olika tillstånd i ett kvantsystem. Degeneration ger upphov till egenskaper inklusive hög konduktivitet och magnetism, som kan utnyttjas för att skapa nya elektroniska material. Tyvärr, med tanke på begränsningarna av geometrisk symmetri, inget ämne är känt för att ha en högre grad av degeneration än sfäriska atomer (fig. 1). Men vad händer om ämnen kan ha en annan typ av symmetri som leder till en högre grad av degeneration? Hur kan en sådan symmetri förklaras?
Forskare från Tokyo Institute of Technology, inklusive professor Kimihisa Yamamoto, bestämde sig för att demonstrera förekomsten av metaller med sådana typer av symmetri. Teamet drog slutsatsen att speciella uppblåsta tetraederstrukturer gjorda av specifika metallatomer, såsom zink och magnesium, kan ha en speciell typ av symmetri som inte härrör från geometriska egenskaper utan från systemets dynamiska egenskaper. "Vi har visat att realistiskt magnesium, zink, och kadmiumkluster som har ett specifikt tetrahedralt ramverk har avvikande degenereringar med högre vikt än sfärisk symmetri, "förklarar Yamamoto.
Teamet använde en tättbindande modellanalys, validerad med densitetsfunktionella teoriberäkningar, att identifiera det allmänna tillståndet avseende bindningsinteraktioner mellan atomer ("överföringsintegralerna") som ger upphov till den förutsagda dynamiska symmetrin. "Förvånande, degenerationstillståndet kan representeras som en elegant kvadratrots matematisk sekvens som innefattar förhållandena för överföringsintegralerna (fig. 2). Det är också imponerande att denna sekvens redan har upptäckts av Theodorus i det antika Grekland, oberoende av materialvetenskap, säger Yamamoto.
Denna forskning visade att nanomaterial med en högre grad av symmetri än sfäriska atomer kan realiseras. De superdegenerade kvanttillstånden som härrör från denna dynamiska symmetri kan utnyttjas på flera sätt, som att designa nya material med aldrig tidigare skådad konduktivitet eller magnetiska egenskaper, som varnar nästa generations elektroniska enheter.
