Подструктура, состоящая из колец разного размера, плавно встраивается в шестиугольную структуру.
Предоставлено: Университет Мартина Лютера Галле-Виттенберг.

Шестиугольники часто встречаются в природе. Самый известный пример — соты, но графен или различные оксиды металлов, такие как оксид титана, также образуют эту структуру. «Шестиугольники — идеальный образец для периодического расположения», — объясняет доктор Стефан Фёрстер, исследователь группы физики поверхности и интерфейса в Институте физики MLU. «Они так идеально подходят друг к другу, что нет никаких зазоров».

В 2013 году эта группа сделала удивительное открытие, нанеся ультратонкий слой, содержащий оксид титана и барий, на платиновую подложку и нагрев его примерно до 1000 градусов по Цельсию в сверхвысоком вакууме . Атомы выстраивались в треугольники, квадраты и ромбы, которые группировались в еще более крупные симметричные формы с двенадцатью ребрами. Была создана структура с 12-кратной вращательной симметрией вместо ожидаемой 6-кратной периодичности.

По словам Фёрстера, «были созданы квазикристаллы с апериодической структурой. Эта структура состоит из основных атомных кластеров, которые высоко упорядочены, даже если наблюдателю трудно различить систематику, стоящую за этим упорядочением». Физики из Галле первыми в мире продемонстрировали образование двумерных квазикристаллов в оксидах металлов.

Механизмы, лежащие в основе формирования таких квазикристаллов, остаются загадочными с момента их открытия. Физики MLU решили эту загадку в сотрудничестве с исследователями из Института физики микроструктур имени Макса Планка в Галле, Университета Гренобль-Альп и Национального института стандартов и технологий (Гейтерсберг, США).

Используя сложные эксперименты, энергетические расчеты и микроскопию высокого разрешения, они показали, что высокие температуры и присутствие бария создают сеть колец титана и кислорода с четырьмя, семью и десятью атомами соответственно. «Барий одновременно разрушает атомные кольца и стабилизирует их», — объясняет Фёрстер, возглавляющий совместный проект.

«Один атом бария встроен в кольцо из семи, два — в кольцо из десяти». Это возможно потому, что атомы бария электростатически взаимодействуют с платиновым носителем, но не образуют химической связи с атомами титана или кислорода.

Своим последним открытием исследователи сделали больше, чем просто прояснили фундаментальный вопрос физики. «Теперь, когда мы лучше понимаем механизмы образования на атомном уровне, мы можем попытаться изготовить такие двумерные квазикристаллы по запросу из других материалов, имеющих отношение к применению, таких как оксиды металлов или графен», — говорит Фёрстер. «Мы рады узнать, создаст ли это особое расположение совершенно новые и полезные свойства».