北京
借助智能算法与GPU算力，研究人员通过模拟微型准晶体结构，确证了其本质稳定性。
常规晶体（如盐或钻石）的原子在晶格中呈周期性重复排列。而准晶体中的原子遵循特定规则排列，却永不重复 —— 如同铺满变幻图案的地砖。这正是四十年前发现的奇异材料"准晶体"的未解之谜。长久以来，科学家无法确定这类结构是真实存在，还是急速冷却形成的冻结副产物。
例如熔融金属快速冷却时，原子可能来不及形成规整的重复图案，反而冻结为无序状态。因此学界曾认为准晶体或属此类偶然排列。但如今密歇根大学物理学家破解了这一难题，其最新研究表明：某些准晶体不仅真实存在，且具备热力学稳定性。
"理解材料特性的首要前提是明确其稳定机制，但准晶体的稳定成因始终成谜，"论文第一作者、密歇根大学博士生朴宇贤（Woohyeon Baek）指出。
准晶体的困境
20世纪80年代，科学家发现某些合金会形成具五次对称性的非常规原子结构（形如海星或20面骰子）。这些图案虽具序性，却不像常规晶体周期性重复。该发现挑战了当时物理学界公认的自然法则 —— 所有具长程有序的固体必然呈现重复图案。发现者丹·谢赫特曼（Daniel Shechtman）因此饱受质疑，直至2011年才凭此成果获得诺贝尔奖。
即便存在性获证实，核心疑问犹存：准晶体是否具备热力学稳定性？抑或只是熔体急速冷却的产物（如同熔融玻璃冷却时原子未及有序排列便冻结为无序结构）？解答这些问题需计算准晶体内能并与其他晶体结构对比，但传统密度泛函理论（DFT）依赖材料重复单元的建模，面对非周期性准晶体时完全失效 —— 这正是新研究的突破点。
准晶体稳定机制
朴宇贤团队创新性地模拟准晶体纳米微粒，通过精确计算微结构能量并外推结果，成功估算完整准晶体的体能量。若该能量低于其他竞争相的总和，则表明准晶体具有能量优势及本质稳定性。
研究选取钪锌合金与镱镉合金两种经典准晶体验证。计算证实二者在对应元素组合中均达能量最低态，即原子自然趋向此类奇异排列绝非偶然，而是特定条件下最稳定的选择。但模拟过程挑战巨大：原子数量倍增导致计算量激增八倍。为此团队开发了新算法 —— 通过减少处理器间通信需求，结合GPU加速技术实现百倍效率提升。
"传统算法要求所有处理器相互通信，而我们的方案仅需相邻处理器交换数据，配合超级计算机的GPU加速，速度提升高达百倍，"合著者、密歇根大学教授维克拉姆·加维尼（Vikram Gavini）解释。这些创新使数百原子规模的模拟成为可能，最终揭示能量趋势并确证稳定性。研究团队强调："该技术为非周期性材料的结构-键合-稳定性关系研究开辟了第一性原理分析新路径。"
超越有序排列的认知革新
此项工作终结了凝聚态物理领域的长期争论：尽管具备非周期性，准晶体仍可与常规晶体同等稳定。这颠覆了科学家对固态物质有序性的认知，为设计具复杂非重复结构的材料开辟新可能。
其影响更超越准晶体本身。团队开发的非重复/无序系统能量计算方法，有望解决诸多领域难题：传统建模工具难以处理的非晶材料、玻璃体、异质固相界面行为；乃至量子材料研究 —— 包括量子传感器与量子比特（qubit）等依赖晶体缺陷的量子器件。
"如今我们能模拟玻璃与非晶材料、异质晶体界面，以及支撑量子计算位的晶体缺陷，"加维尼表示。该研究已发表于《自然·物理学》期刊。
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