De meeste materialen, gezien op atomair niveau, komen in een van de twee soorten. Sommige materialen, zoals tafelzout, zijn zeer kristallijn, wat betekent dat de atomen in het materiaal zijn gerangschikt in ordelijke en herhalende geometrische patronen. Andere materialen, zoals glas, geen dergelijke organisatie weergeven; in die gevallen, de atomen zijn gerangschikt in wat wetenschappers een amorfe structuur noemen.

Een paar bijzondere materialen, echter, over de grens tussen kristallijn en amorf. Deze materialen, bekend als quasikristallen, hebben atomaire structuren die geometrisch zijn georganiseerd, maar, in tegenstelling tot die van kristallijne materialen, zichzelf nooit herhalen. In een nieuwe studie van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), wetenschappers keken naar netwerken van magnetisch materiaal met patronen in deze unieke en vrij mooie geometrieën om te zien hoe de aard van de niet-herhalende patronen leidde tot het ontstaan ​​van ongebruikelijke energetische effecten.

De eenvoudige maar elegante geometrische patronen in een quasikristal doen denken aan een glas-in-loodraam of een boeddhistische mandala. "Quasicrystals zijn wetenschappelijk interessant omdat hun interne organisatie effecten creëert die je niet ziet in andere materialen, " zei Argonne senior materiaalwetenschapper Amanda Petford-Long, die de studie leidde.

Net zoals verschillende stukjes glas langs hun randen samenkomen om vormen en patronen te creëren in een glas-in-loodraam, een quasikristal bevat knooppunten die zijn gedrag bepalen. Hoewel de kruispunten in een quasikristal waar verschillende vormen samenkomen, verschillende aantallen snijdende randen kunnen bevatten, elke junctie binnen een quasikristal vertoont dezelfde fysieke basisvoorkeur - om in de laagst mogelijke energietoestand te zijn. Echter, omdat elk punt in het quasikristal voortdurend in wisselwerking staat met en concurreert met zijn buren, niet alle hoekpunten kunnen tegelijkertijd in hun laagste energietoestand zijn.

In het experiment, de Argonne-onderzoekers wilden zien hoe de structuur van het quasikristal reageerde op het toevoegen van wat extra energie. "We waren aan het kijken of we daadwerkelijk energie van de ene kant van het rooster naar de andere konden overbrengen, en om de patronen in beeld te brengen die naar voren kwamen toen we dat probeerden, " zei Argonne materiaalwetenschapper Charudatta Phatak, een andere auteur van de studie.

Tot hun verbazing, de onderzoekers ontdekten dat de herverdeling van energie door het quasikristal plaatsvond als een kettingreactie die leek op de gevorkte takken van een blikseminslag. In tegenstelling tot een meer conventioneel magnetisch rooster, waar deze "lawines" van energieherverdeling slechts in één richting plaatsvinden, de verspreiding van herverdeelde energie door het rooster krijgt een boomachtig uiterlijk.

Quasikristallen zouden een voorbeeld kunnen zijn van een systeem waar wetenschappers naar op zoek waren:een netwerk dat bestaat uit magnetische eilanden die informatie kunnen verspreiden en opslaan. Het gedrag van dit soort netwerken hangt af van de hoeveelheid energie die in het systeem wordt gestopt, volgens Phatak.

Het begrijpen van het energetische gedrag van dit soort netwerken is essentieel voor de ontwikkeling van computerapparatuur van de volgende generatie die de basis zou kunnen vormen voor zaken als kunstmatige neurale netwerken, die in staat zou zijn om complexe berekeningen uit te voeren met een zeer laag energieverbruik.