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人类的第一次核爆 造出了"不可能出现"的物质
人类的第一次核爆 造出了"不可能出现"的物质人类的第一次核爆 造出了"不可能出现"的物质
红色三位一体石（图片来源：原论文）
在18世纪的一天，法国的牧师和矿物学家勒内-朱斯特·阿维（René Just Haüy）失手打碎了一位富商的方解石矿物标本。当他弯腰捡起破碎的矿物碎片时，却意外地注意到，这块标本破碎的表面全都光滑整齐，而且每一块碎片的切面全都呈现出同样的角度，构成了一个个小小的菱面体。
阿维能想到最简单的解释，就是方解石是由一些基本的模块组成的，每一个小模块都是菱面体的形状。而这一发现，最终促成了晶体学的诞生。今天，我们将阿维猜测的这些“基本模块”称为“晶格”。如果你在脑海中，将这些晶格像堆积木一样，一个挨一个地整齐排列在一起，就形成了晶体。正是这套微观框架，决定了矿物在宏观世界中的许多性质，比如硬度、弹性、导电性等等。
在本科阶段学习矿物学与晶体学这门课的时候，我们必做的功课之一就是记住十几种常见的晶格结构。这并不需要死记硬背，因为晶体学已经将晶格的对称性总结为一重、二重、三重、四重和六重。然而，还有一些对称性，比如五重对称性一度被认为不可能存在，对应的物质也被称为“准晶”。
二维准晶结构，具有与晶体相似的有序排列，但不具有平移对称性（图片来源：wikipedia）
这里藏着巨大的差别。因为晶体中的原子团会以规律的间隔重复出现，然而在准晶中，不同原子团会以不同的间隔重复出现。换句话说，如果你切下来一块晶体，它总能平移到其他地方。然而在准晶中，虽然原子排列依然有序，但它们不会像晶体那样，能够通过简单的平移相互拼接。
1982年，以色列海法理工学院的材料学家丹尼尔·谢希特曼（Daniel Shechtman）首次在一种合金中发现了这种“不可能”的对称性，它是一组二十面体，具有五重对称性。多年后，普林斯顿大学的理论物理学家保罗·斯坦哈特（Paul Steinhardt）和同事在东西伯利亚堪察加半岛的一块陨石碎片中，首次发现了自然产生的正二十面体，可能是在太阳系形成早期，由两颗小行星相撞形成的。因此，斯坦哈特和同事开始好奇，核爆产生的瞬间高温和高压，是否也可能产生准晶。
2021年，他们的研究顺利发表于《美国科学院院刊》（PNAS），在三位一体石中发现了准晶。这种准晶的对称方式与正二十面体相同，化学式为Si₆₁Cu₃₀Ca₇Fe₂，也是已知最古老的人造准晶。
图片来源：原论文
我们并不能准确知道，这种准晶为何会出现在三位一体石中，但我们知道的是，准晶的形成需要伴随极端高温和高压，而这场核爆实验提供了绝佳的机会。
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在18世纪的一天，法国的牧师和矿物学家勒内-朱斯特·阿维（René Just Haüy）失手打碎了一位富商的方解石矿物标本。当他弯腰捡起破碎的矿物碎片时，却意外地注意到，这块标本破碎的表面全都光滑整齐，而且每一块碎片的切面全都呈现出同样的角度，构成了一个个小小的菱面体。
阿维能想到最简单的解释，就是方解石是由一些基本的模块组成的，每一个小模块都是菱面体的形状。而这一发现，最终促成了晶体学的诞生。今天，我们将阿维猜测的这些“基本模块”称为“晶格”。如果你在脑海中，将这些晶格像堆积木一样，一个挨一个地整齐排列在一起，就形成了晶体。正是这套微观框架，决定了矿物在宏观世界中的许多性质，比如硬度、弹性、导电性等等。
在本科阶段学习矿物学与晶体学这门课的时候，我们必做的功课之一就是记住十几种常见的晶格结构。这并不需要死记硬背，因为晶体学已经将晶格的对称性总结为一重、二重、三重、四重和六重。然而，还有一些对称性，比如五重对称性一度被认为不可能存在，对应的物质也被称为“准晶”。
二维准晶结构，具有与晶体相似的有序排列，但不具有平移对称性（图片来源：wikipedia）
这里藏着巨大的差别。因为晶体中的原子团会以规律的间隔重复出现，然而在准晶中，不同原子团会以不同的间隔重复出现。换句话说，如果你切下来一块晶体，它总能平移到其他地方。然而在准晶中，虽然原子排列依然有序，但它们不会像晶体那样，能够通过简单的平移相互拼接。
1982年，以色列海法理工学院的材料学家丹尼尔·谢希特曼（Daniel Shechtman）首次在一种合金中发现了这种“不可能”的对称性，它是一组二十面体，具有五重对称性。多年后，普林斯顿大学的理论物理学家保罗·斯坦哈特（Paul Steinhardt）和同事在东西伯利亚堪察加半岛的一块陨石碎片中，首次发现了自然产生的正二十面体，可能是在太阳系形成早期，由两颗小行星相撞形成的。因此，斯坦哈特和同事开始好奇，核爆产生的瞬间高温和高压，是否也可能产生准晶。
2021年，他们的研究顺利发表于《美国科学院院刊》（PNAS），在三位一体石中发现了准晶。这种准晶的对称方式与正二十面体相同，化学式为Si₆₁Cu₃₀Ca₇Fe₂，也是已知最古老的人造准晶。
图片来源：原论文
我们并不能准确知道，这种准晶为何会出现在三位一体石中，但我们知道的是，准晶的形成需要伴随极端高温和高压，而这场核爆实验提供了绝佳的机会。
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