Физики пришли к выводу, что материал с особой структурой из тетраэдров будет обладать бо́льшим количеством симметрий, чем у сферического атома. Такому веществу должны быть свойственны особые электрические и магнитные характеристики, которые найдут применение в электронных устройствах следующего поколения. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.

Сфера является геометрической фигурой с максимальным количеством симметрий, так как поворот на любой угол относительно проходящей через ее центр оси приводит к такой же сфере. В физике при помощи симметрий описываются многие фундаментальные являния природы. В случае атомов с симметрией часто связана степень вырожденности, то есть ситуация, когда нескольким квантовым состояниям системы отвечает один и тот же энергетический уровень. Такие являения, как электрическая проводимость и магнетизм, связаны с вырожденностью частиц внутри вещества.

В новой работе сотрудники Токийского технологического института пришли к выводу, что особые наноструктуры из некоторых металлов, например, цинка, кадмия и магния, могут обладать особым типом симметрии, который связан не с геометрическими свойствами атомов, а с динамическими взаимодействиями в системе. В результате в такой ситуации может получиться аномально высокое вырождение, превышающее даже сферически симметричный случай.

Авторы провели расчеты в модели сильносвязанных электронов и теории функционала плотности, что позволило им определить требуемые для такой динамической симметрии условия связи между атомами. Оказалось, что эти условия можно представить в виде математической последовательности корней, известной как спираль Феодора, по имени впервые ее описавшего древнегреческого математика. Ученые приходят к выводу, что подобные нанометриалы со сверхвысокой степень вырождения можно реализовать на практике. Они должны обладать необычными электрическими и магнитными свойствами, что обеспечит к ним интерес.