准晶体——已有名声的二十面体对称性

“二十面体”准晶体的结构和性质是美国物理学会最近一次年会(巴尔的摩,1985年3月25-29日)上热烈讨论的问题之一.准晶体看来代表一种新的物态,它既具有二十面体点对称性,又具有一种变态的平移序.准晶体的结构特点可以从平面的Penrose拼接[1]中得到启发. 国家标准局D.Shechtinan首先在急冷Al-Fe、Al-Mn、Al-Cr合金中发现了二十面体有序性,尺寸可以大到2μm的枝晶伏微准晶体,象晶体经常产生的那样产生明锐的电子衍射,但这种电子衍射具有二十面体对称性.初等几何分析证明晶体不具有二十面体对称性.对上述晶体学上不允许出现的电子衍射,一种…     

90年代理论物理学重大前沿课题系列报道（Ⅲ）低维准晶物理性质研究

９０年代理论物理学重大前沿课题系列报道（Ⅲ）低维准晶物理性质研究固体物理学一直认为由于有序结构要满足长程平移不变性，因此五次旋转对称性是不可能存在的。１９８４年，Ｓｈｅｃｈｔｍａｎ等人在ＡＩＭｎ合金中发现了五次对称准晶体，被认为是近几十年来固体物理学...     

8次、12次对称及有关准晶的发现──王宁、陈焕获第二届吴健雄物理奖项目

在５次对称及有关准晶发现之后，王 宁和陈 焕等相继在一些急冷合金中发现具有８次及１２次旋转对称的准晶．进一步肯定周期性平移不是晶体的必要条件．准周期性晶体（即准晶）可以有５，８，１０，１２次等过去所谓的“不允许”的旋转对称．这些准晶中的结构单元如正三角形、正方形、４５°菱形等，都存在于有关的晶体结构中．在传统的晶体中，它们是周期性排列，而在准晶中呈准周期排列．从这个角度来看，准晶的生成及其向有关晶体的转变就显得很自然了．     

晶体几何系列之一 晶体的点群与空间群

晶体具有规则的外形,来自内部原子的规则排列。晶体具有最小的重复单元,是由最小重复单元在三维空间堆积起来的,即晶体具有平移对称性。对称性可以用群这个数学概念来表征。平移对称性限制了晶体重复单元只有n=1,2,3,4,6次转轴,因此晶体只有32种点群(单胞的对称性)。32种点群同三维空间中平移操作的组合,决定了晶体只有230种空间群。不管有多少种具体的晶体,按照对称性分类只有230种。二维情形下,n=1,2,3,4,6次转轴加上镜面反映只能得到10种点群;10种点群与二维空间中的平移操作组合,只能得到17种二维空间群。远在人类有群论知识之前,许多文明都认识到了二维晶体只有17种对称性,反映在二维装饰图案比如窗棂的设计上。     

光发射谱测量发现准晶能带结构

固体能带论将电子在晶格中的运动表述为布洛赫波 (振幅受晶体周期调制的一系列不同波长ｋ的平面波 ) ,它是近代固体物理学的范式之一 .1984年 ,由于准晶的发现 ,能带论的适用性受到了挑战 .今天 ,随着准晶研究的不断深入 ,人们终于在能带论和准晶之间找到了新的契合点 .晶体的平移周期性是指将一种基块无空隙、不重叠地堆砌 ,即可构建出整个晶格 .对于准晶来说 ,情况却大相径庭 .研究表明 ,为了构成 5次对称或10次对称的二维准晶 ,或者至少需要两种基础拼块 ,或者 (在使用一种拼块的条件下 )应允许拼块的复叠 (ｃｏｖｅｒａｇｅ) .复叠概念…     

固体的光散射讲座第三讲 晶格振动的喇曼散射

晶体的喇曼散射是研究晶体内部结构的一种简单而有效的成熟方法.它对研究材料的结构和结构相变以及各种特殊条件下的晶体状态有着重要的作用.本文先从晶体的对称性出发,讨论晶格振动的分类,并以k=0处的晶格振动为例,介绍晶格振动模的对称类的分类.然后简述晶体喇曼散射的机理以及对晶体喇曼谱的实验研究. 一、晶体的对称性 我们知道,分子具有一定的点对称性,即保持体系中一点位置不变,对体系施以转动、反射或反演等(点)对称操作,体系仍处于与操作前等效的状态.晶体不仅也具有这种点对称性,而且由于其中原子排列的周期性,晶体还具有平移对称…     

局部准周期光子晶体及其缺陷模式分析

利用时域有限差分方法(FDTD)研究了由十二重准周期光子晶体(PQ)局部结构组成的复合二维(2D)光子晶体(PC)及其点缺陷的光学特性.结果表明,由于准周期光子晶体局部结构平移对称性缺失,该复合光子晶体可以通过改变缺陷位置来调节缺陷模的特性,由此具有比周期光子晶体更为丰富的缺陷模式及更灵活的调节方式.同时,研究表明,缺...     

五次对称与Ti-Ni-V合金中的准晶

一、准晶的发现及研究现状 近百年来,人们对凝聚态的深入研究表明,固态基本可分为晶态和非晶态两大类.当用一束X射线或电子束照射到固态上时,就会发现,只有晶体才会产生明锐的布喇格衍射,而非晶固体和液体只能产生很弥散的衍射.其原因就在于晶体中原子在三维空间中的排列具有平移周期性,从而保证了高度的相干性;而非晶固体和液体中原子排列则基本处于无序(或短程有序)状态,不具备这种空间相干性,从而只能得 到如我们在X射线或电子衍射实验中所常见到的那种弥散的衍射峰或环.-正是由于这种平移周期性的制约,使得五次旋转对称在晶体中成为不…     

准周期光子晶体平板透镜的光会聚

提出了一种能够实现负折射的准周期光子晶体(QPC).该准晶光子晶体具有十二重对称性,由介质背景下空气孔的准周期阵列组成.用时域有限差分方法研究了电磁波通过该十二重准品后的传播行为.对劈形准品样品的研究表明,电磁波在该准晶结构中发生了负折射现象.进一步利用该准晶制成平行平板,研究了平板的表面截面对电磁波传播的影响.发现改变平板的表面截面,可以调节电磁场在板后的分布.在合适的界面条件下,准晶平板对电磁波实现了会聚.因此,在实际应用中应仔细选择适当的界面参数.     

用光学全息方法制作准晶光子晶体

理论分析表明,用5束相干光干涉可以制作10重对称的准晶光子晶体.实验中,为了简化光路,利用5个光栅对一束平行光进行衍射,通过控制5个光栅的分布及光栅常数,进而得到制作10重对称准晶所需的5个光束偏转角度.实验结果与计算结果完全相符.     

对称性和守恒律

对称性所研究的是物质的状态和运动规律在对称变换(如镜面反射、转动等)下的性质.它已成为物理学中一个最普遍而深刻的观念. 对称性的观念是人们在观察自然界各种事物的几何形状时逐步形成的.一个球在围绕通过中心的任何轴转动时,都不改变它的形状.我们称它具有转动变换的对称性.在观察晶体时,可以看到各种规则的多面体,经过一定的镜面反射或是统特定轴转动特定角度,并不改变它们的几何形状,同时显示了各种对称的组合.按照对称方式的不同,可以把晶体分为32类.如果加上磁性的考虑,还可以找到58种不同的晶体对称方式,总共有90种磁性晶体的对称…     

融入凝聚态世界的时间晶体

普通晶体破缺了空间平移对称性,而时间晶体则破缺了时间平移对称性。探索四维时空中晶体行为是一个崭新的研究方向,将会带来创新性的凝聚态器件和应用。在计算机芯片或是超导器件的内部,无数的电子在排列成晶格的离子间穿梭而过。这样的景象会不会在时间而不是空间中周而复始呢?传统的凝聚态器件或是电子元件会不会有四维时空中的新奇应用呢?     

六维空间的晶态──准晶态

1984年,D.Shechtman等人报道了在急冷的Al-Mn合金的约 2 μm大小的晶粒中,用电子衍射发现了一种除显示出二次和三次对称性图象外,还出现了五次对称的图象.该图象斑点明锐,具有与晶格平移不符的点对称群m35,他们称之为二十面体相[1].此后,立即引起了巨大的反响,国内外的报刊杂志纷纷报道和评论了这个惊人的发现[2-5]。 经典晶体学不允许有五次对称.五次对称破坏了点阵的平移对称性,因而不能不留空隙地用五边形铺满平面,也不能用具有五次对称轴的二十面体不留空隙地填满三维空间.因此二十面体相不是一个服从传统晶体学规律的晶体,而是一种组…     

准完全带隙胶体非晶光子晶体

三维面心立方结构的固有的高对称性使其只具备非完全光子带隙,而非晶结构可降低对称性导致准完全光子带隙的出现.实验结果表明非晶胶状晶体具有准完全光子带隙.非晶胶状光子晶体中的光子带隙的禁带宽度与波长均不随光入射到样品池的角度的变化而明显变化.其禁带宽度比SiO₂小球面心单晶的禁带宽度宽得多 关键词： 光子带隙 非晶 光谱     

晶体取向对定向凝固枝晶生长的影响

采用类金属透明模型合金丁二腈-1.0 wt%乙醇(SCN-1.0 wt% Eth)合金, 考察了晶体取向对定向凝固过程中晶粒的平界面失稳孕育时间、枝晶形态演化以及枝晶一次间距的影响. 结果表明, 随着枝晶择优生长方向与温度梯度方向夹角的增大, 晶粒的平界面失稳孕育时间增加, 界面的稳定性增强; 对于不同晶体取向的枝晶形态演化, 枝晶择优生长方向与温度梯度方向夹角越大, 枝晶二次臂不对称生长越严重, 同时, 具有生长优势的枝晶二次臂对相邻枝晶的生长的抑制越强烈; 至于不同晶体取向的枝晶一次间距, 随着枝晶择优生长方向与温度梯度方向夹角的增大, 枝晶一次间距增大. 关键词： 定向凝固 平界面失稳 枝晶间距 晶体取向     

准晶非线性光子晶体中二次谐波波长和温度调谐的研究

在八重准周期极化的铌酸锂非线性光子晶体中,通过调节基频光波长实现了多个波长的同时共线准相位匹配倍频,最高转换效率达36%.同时,测量了准晶非线性光子晶体中二次谐波转换效率随晶体温度以及入射波长的变化,结果表明二次谐波在长波处具有更宽的温度以及波长调谐带宽.该项研究对于准周期非线性光子晶体在实际工作中的运用具有重要的指导意义. 关键词： 准周期 非线性光子晶体 温度调谐 波长调谐     

半导体电子态理论简介(Ⅲ)

四、非晶态半导体 非晶态半导体属于无序系统的物质.无序系统包括固溶体、非晶体、准晶体等,它们都不存在晶体的平移对称性.固溶体的特点是结构有序、组分无序.非晶体的特点是短程有序,长程(结构)无序.准晶体的特点是短程有序,长程部分有序,有点群对称性但无平移对称性、无序的分布都是随机的.与有序系统相比,无序系统有一些新的特点,例如局域化. 关于局域化问题,常用紧束缚方法来讨论,哈密顿量其中　　是原子态　的能量,V是原子间的相互作用能量.对于晶体,　　是常数.如果晶体是三维简单立方,则它的能带(取　　=0)为态密度如图 11(a)所示,…     

十二次对称准周期结构的自相似变换及准晶胞构造

研究十二次对称准晶体模型的几何结构性质.修正了Socolar在正方形-菱形-六边形拼图模型中自相似变换的错误.在Stampfli-Ghler正方形-菱形-三角形拼图模型的基础上,成功地构造出了准晶胞,使得十二次对称准周期结构可以用覆盖理论描述. 关键词： 准晶体 拼图模型 自相似变换 覆盖理论     

准晶

一、什么是准晶及准晶的发现过去人们一直把固态物质划分为晶体(crystal)和无序体(amorphous)。晶体在短程和长程上都是有序的,突出的特点是组成晶体的原子或离子在空间排列的点阵具有周期性,即长程平移序。无序体具有短程有序,但在长程上无序,即它的点阵在空间长程范     

晶体相场法模拟纳米晶材料反霍尔-佩奇效应的微观变形机理

采用晶体相场模型模拟获得了平均晶粒尺寸从11.61–31.32 nm的纳米晶组织, 研究了单向拉伸过程纳米晶组织的强化规律的微观变形机理. 模拟结果表明: 晶粒转动、晶界迁移等晶间变形行为是纳米晶材料的主要微观变形方式, 纳米晶尺寸减小, 有利于晶粒转动, 使屈服强度降低, 显示出反霍尔-佩奇效应.当纳米晶较小时, 变形量超过屈服点达到4%, 位错运动开启, 其对变形的直接贡献有限, 主要通过改变晶界结构而影响变形行为, 位错运动破坏三叉晶界, 引发晶界弯曲, 促进晶界迁移. 随纳米晶增大, 晶粒转动困难, 出现晶界锯齿化并发射位错的现象. 关键词： 晶体相场 纳米晶 反霍尔-佩奇效应 微观变形