Wissenschaftler entdecken neuartige topologische Ordnung in Quasikristallen

Im April 1982 entdeckte Professor Dan Shechtman vom Technion-Israel Institute of Technology Quasikristalle, was ihm 2011 den Nobelpreis für Chemie einbrachte. Im Gegensatz zu normalen Kristallen mit periodischer Symmetrie weisen Quasikristalle geordnete, aber nicht-periodische Strukturen auf.Nun haben Forscher vom Technion, der Universität Stuttgart und der Universität Duisburg-Essen eine neue Art topologischer Ordnung innerhalb dieser Quasikristalle entdeckt, die in einem vierdimensionalen Raum existiert. Diese Entdeckung zeigt, dass hochdimensionale Messungen eine entscheidende Rolle beim Verständnis der Physik von Quasikristallen spielen.Die Ergebnisse des Teams, die in Science (2025) veröffentlicht wurden, zeigen, dass hochdimensionale Kristalle nicht nur die mechanischen Eigenschaften von Quasikristallen bestimmen, sondern auch ihre einzigartigen topologischen Eigenschaften. Professor Harald Giessen von der Universität Stuttgart erklärt, dass die Idee darin besteht, winzige, nanometergroße Löcher in einer fünfeckigen Form zu erzeugen.Mithilfe fortschrittlicher Mikroskopietechniken, einschließlich Vektor-2PPE-PEEM-Bildgebung, beobachteten die Wissenschaftler plasmonische quasikristalline Moden mit einem Q = -2 pentagonalen Regime. Diese Moden weisen unterschiedliche Eigenschaften auf, die im Laufe der Zeit an verschiedenen Stellen wieder auftauchen und Wirbel bilden, die denen eines geflochtenen Challot ähneln.Diese neuartige topologische Ordnung, die durch "Skyrmionen" (Wirbel, die wie Teilchen wirken) gekennzeichnet ist, bleibt aufgrund der Symmetrie der Plasmonen konstant. Professor Guy Bartal und Dr. Shai Tsesses vom Technion planen, diese Ergebnisse auf andere physikalische Systeme anzuwenden, was die Speicherung, Codierung und Verarbeitung von Informationen revolutionieren könnte.Die Entdeckung unterstreicht, dass Quasikristalle symmetrische Eigenschaften aufweisen, die mit hochdimensionalen Messungen verbunden sind. Darüber hinaus haben die Forscher ein weiteres faszinierendes Phänomen identifiziert: Zwei unterschiedliche topologische Muster auf Oberflächenwellen erscheinen identisch, wenn sie über einen definierten Zeitraum gemessen werden, was einen Wettbewerb zwischen den topologischen und thermodynamischen Eigenschaften innerhalb der Kristalle aufzeigt.Die Arbeit des Teams eröffnet Wege für neue Methoden zur Messung der thermodynamischen Eigenschaften von Quasikristallen und zum Verständnis des Zusammenspiels zwischen topologischer Ordnung und Energiezuständen. Das Potenzial zur Nutzung der einzigartigen topologischen Eigenschaften von hochdimensionalen Quasikristallen in zukünftigen Technologien ist enorm und verspricht Fortschritte bei der Datendarstellung und -manipulation.