「不可能」的晶體：重新定義現實的科學突破

曾被認為不可能存在的「準晶體」，如今揭示了隱藏的秩序，挑戰了我們對材料的認知。這些晶體的結構遵循更高維度的規則，影響其機械與拓撲特性。最近的研究更發現，這些晶體在時間相關行為上展現出奇異的現象，暗示著更深層的物理原理正在運作。

1982年4月，以色列理工學院的丹·謝赫特曼教授（Prof. Dan Shechtman）做出了一項劃時代的發現，這項發現後來為他贏得了2011年諾貝爾化學獎：準週期晶體。當他使用電子繞射技術觀察這種材料時，小尺度上看似無序，但在更大尺度上卻呈現出明顯的對稱圖案。當時，這種結構被認為是不可能存在的，謝赫特曼也因此面臨多年的質疑，直到科學界最終接受了他的發現。

最早提供理論解釋的物理學家是當時在賓夕法尼亞大學攻讀博士的杜夫·萊文教授（Prof. Dov Levine）及其指導教授保羅·斯坦哈特（Prof. Paul Steinhardt）。他們的關鍵洞察是，準晶體遵循一種週期性結構，但這種結構存在於我們所熟悉的三維空間之外的更高維度中。這一發現讓他們能夠描述並預測準晶體的機械與熱力學特性。

更高維度的概念延伸了我們熟悉的三維空間——長度、寬度和高度——引入了與這三個方向都垂直的額外方向。這難以想像，因為我們只能感知三維空間，更難以測量。四維物體的一個例子是「超立方體」（tesseract），它由八個立方體組成，就像立方體由六個正方形面組成一樣。雖然我們無法完全視覺化超立方體，但可以透過其投影來表示，就像在二維紙上看三維立方體的影子。

最近發表在《科學》期刊上的一篇研究論文，由以色列理工學院、斯圖加特大學和杜伊斯堡-埃森大學的研究人員共同完成，進一步揭示了這一現象。研究團隊發現，更高維度的晶體不僅決定了準週期晶體的機械特性，還影響其拓撲特性。拓撲學是數學的一個分支，研究在連續變形下保持不變的幾何特性。更高維度空間的拓撲學專注於三維以上物體的特性，並可用於研究宇宙結構或開發量子計算演演算法。

研究人員還發現了一個有趣的現象：兩種不同的表面波拓撲圖案在特定時間間隔後測量時，看起來完全相同。這個間隔極短，僅為阿秒（attosecond，即十億分之一秒的十億分之一）。萊文和斯坦哈特的理論再次解釋了這一現象，認為這是晶體的拓撲特性與熱力學（能量）特性之間的競爭結果。

這項研究使用了兩種方法：一種是在蓋伊·巴塔爾教授（Prof. Guy Bartal）實驗室中進行的近場掃描光學顯微鏡，另一種是斯圖加特大學與杜伊斯堡-埃森大學合作進行的雙光子光發射電子顯微鏡。這些發現為測量準週期晶體的熱力學特性開闢了新的途徑。

未來，研究人員計劃將這些發現擴充套件到其他物理系統，並深入研究熱力學與拓撲特性之間的相互作用。準晶體獨特的高維拓撲特性，未來可能被用於表示、編碼和傳遞資訊。

參考文獻：Shai Tsesses 等人，《四維守恆拓撲電荷向量在等離子體準晶體中的應用》，2025年2月6日，《科學》。DOI: 10.1126/science.adt2495