Wetenschappers van het Tokyo Institute of Technology hebben theoretisch aangetoond dat speciale tetraëder-nanostructuren die zijn samengesteld uit bepaalde metalen een hogere mate van symmetrie hebben dan de geometrische symmetrie van bolvormige atomen. Nanomaterialen met unieke en ongekende elektrische en magnetische eigenschappen die voortkomen uit deze symmetrie zullen worden ontwikkeld en gebruikt voor elektronische apparaten van de volgende generatie.

symmetrie studeren, een van de meest fundamentele concepten in de natuurkunde en scheikunde, kan een dieper begrip vergemakkelijken van de wetten die ons universum vormgeven.

Atomen hebben van nature de hoogste graad van geometrische symmetrie, overeenkomend met de sferische symmetrie. Een interessante eigenschap die vaak voortkomt uit symmetrie is een hoge mate van degeneratie - een kenmerk van kwantumenergieniveaus waarbij een bepaald energieniveau gelijktijdig kan overeenkomen met twee of meer verschillende toestanden in een kwantumsysteem. Degeneratie geeft aanleiding tot eigenschappen zoals hoge geleidbaarheid en magnetisme, die kunnen worden gebruikt om nieuwe elektronische materialen te creëren. Helaas, gezien de beperkingen van geometrische symmetrie, van geen enkele stof is bekend dat deze een hogere mate van degeneratie heeft dan bolvormige atomen (Fig. 1). Maar wat als stoffen een ander soort symmetrie zouden kunnen hebben die leidt tot een hogere mate van degeneratie? Hoe kan zo'n symmetrie worden verklaard?

Onderzoekers van het Tokyo Institute of Technology, waaronder prof. Kimihisa Yamamoto, uiteengezet om het bestaan ​​van metalen met dergelijke soorten symmetrie aan te tonen. Het team concludeerde dat speciale opgeblazen tetraëderstructuren gemaakt van specifieke metaalatomen, zoals zink en magnesium, kan een speciaal soort symmetrie hebben die niet voortkomt uit geometrische eigenschappen maar uit de dynamische kenmerken van het systeem. "We hebben aangetoond dat realistisch magnesium, zink, en cadmiumclusters met een specifiek tetraëdrisch raamwerk vertonen afwijkende hogere-voudige degeneraties dan sferische symmetrie, ", legt Yamamoto uit.

Het team gebruikte een strakke modelanalyse, gevalideerd met berekeningen van de dichtheidsfunctionaaltheorie, om de algemene toestand te identificeren met betrekking tot de bindingsinteracties tussen atomen (de "overdrachtsintegralen") die aanleiding geven tot de voorspelde dynamische symmetrie. "Verrassend genoeg, de degeneratietoestand kan worden weergegeven als een elegante wiskundige reeks met vierkantswortels die de verhoudingen van de overdrachtsintegralen omvat (Fig. 2). Het is ook indrukwekkend dat deze reeks al is ontdekt door Theodorus in het oude Griekenland, onafhankelijk van materiaalkunde, ' zegt Yamamoto.

Dit onderzoek toonde aan dat nanomaterialen met een graad van symmetrie hoger dan die van bolvormige atomen gerealiseerd kunnen worden. De supergedegenereerde kwantumtoestanden die het gevolg zijn van deze dynamische symmetrie kunnen op meerdere manieren worden benut, zoals het ontwerpen van nieuwe materialen met ongekende geleidbaarheid of magnetische eigenschappen, de aankondiging van de volgende generatie elektronische apparaten.