Los cuasicristales se descubrieron por primera vez en 1984 en una aleación de aluminio y manganeso. Al igual que los cristales, generan patrones de difracción de los rayos X con puntos brillantes dispuestos simétricamente, pero con simetrías (pentagonales, decagonales, dodecagonales) que no pueden ser producidas por ningún empaquetamiento ordenado de partículas que sea regular. Por contra, los cuasicristales no son perfectamente periódicos: contienen disposiciones atómicas locales con estas simetrías prohibidas, pero que no se repiten exactamente.
Los cuasicristales, con sus redes atómicas no repetitivas, ofrecen la posibilidad de crear materiales con propiedades de conducción de calor y carga diseñadas, propiedades que se ven influidas por la estructura reticular y sus vibraciones, también llamadas fonones. Sin embargo, los estudios realizados de fonones en cuasicristales no han descubierto esta previsible influencia de la inusual estrutura.
Un nuevo trabajo de Masato Matsuura, del Centro de Ciencia y Tecnología de Neutrones CROSS en Japón, y sus colegas ha descubierto ahora un comportamiento único de los fonones en los cuasicristales: el número de fonones que se propagan en la red es notablemente menor a energías de fonón específicas que están relacionadas entre sí a través de la proporción áurea, una constante matemática que también está vinculada a la geometría de la red no periódica de los cuasicristales. Esta observación confirmaría las predicciones teóricas de hace décadas que diferencian los fonones de los cuasicristales de los fonones de los materiales cristalinos.
El equipo de investigadores dirigió un haz de neutrones hacia una muestra de un centímetro del material cuasicristalino Al73Pd19Mn8. Siguiendo técnicas estándar, los investigadores analizaron la energía y el cambio de dirección de los neutrones dispersados para determinar la energía, la dirección del movimiento y la cantidad de fonones generados por las interacciones neutrón-muestra.
En un espectro de número de fonones frente a energía del fonón, el equipo observó caídas pronunciadas en energías aproximadas al multiplicar cada energía sucesiva por la proporción áurea, que es de aproximadamente 1,6: 0,12, 0,19, 0,31, 0,51, 0,82, 1,33 y 2,15 meV. El análisis también reveló que los fonones se propagan en direcciones preferentes. Además, el número de fonones generados cuando los neutrones ganan energía de la red durante la dispersión es diferente del número generado cuando pierden energía.
Un proceso de dispersión tan asimétrico nunca se ha observado en los fonones en materiales cristalinos convencionales. Debido a estas propiedades de los fonones, los cuasicristales podrían encontrar aplicaciones en dispositivos para la gestión térmica.
Referencias:
Masato Matsuura, Jinjia Zhang, Yasushi Kamimura, Maiko Kofu, and Keiichi Edagawa (2024) Singular Continuous and Nonreciprocal Phonons in Quasicrystal AlPdMn Phys. Rev. Lett. doi: 10.1103/PhysRevLett.133.136101
Martín Rodríguez-Vega (2024) Golden Ratio in Quasicrystal Vibrations Physics 17, s121
Sobre el autor: César Tomé López es divulgador científico y editor de Mapping Ignorance
