科技日報記者 劉霞
美國密歇根大學研究團隊在量子力學模擬領域取得重大突破。他們首次模擬了準晶體的量子力學特征，證實了其基本穩定性。這項發表于最新一期《自然·物理學》雜志的研究，不僅深化了人類對固體物質原子結構的認知，更為利用先進計算技術設計新型材料鋪平了道路。
準晶體是一種介于結構有序的晶體和結構混沌的玻璃態之間的物質形態，其原子如晶體般有序排列，又不像傳統晶體那樣呈現周期性重復圖案。這種看似不可能存在的材料，曾長期被科學界視為理論假設。
1984年，以色列科學家丹尼爾·謝赫特曼首次發現了準晶體，隨后科學家不僅在實驗室合成出多種準晶體，更在古老隕石中發現了其天然存在。
盡管準晶體已被證實存在，但其形成機制始終是未解之謎。因為計算晶體穩定性的量子力學方法——傳統密度泛函理論依賴無限重復的原子模式，而準晶體非周期性的結構特征讓常規計算方法束手無策。
為攻克這一難題，研究團隊創新性地開發出特殊算法：通過將大塊準晶體分割為納米顆粒，分別計算各顆粒能量，最終整合推導出整體能量。該方法成功驗證了鈧鋅合金、鐿鎘合金兩種典型準晶體結構的穩定性。
這項研究集結了美國得克薩斯大學、勞倫斯伯克利國家實驗室等機構的超級計算資源。研究團隊突破性地優化了處理器通信模式，僅用相鄰處理器交換數據，將運算效率提升了百倍，且結合圖形處理器加速技術，不僅實現了準晶體模擬，更為玻璃態材料、晶體界面及量子比特缺陷等研究提供了新工具。
新的量子力學模擬表明，準晶體雖與玻璃態等無序固體一樣，可通過快速加熱和冷卻制備，但其本質還是與晶體一樣，是一種穩定材料。
