Невозможность второго рода. Невероятные поиски новой формы вещества

Крупинка порошкового материала, которая изначально была размером всего в одну десятую миллиметра, только что рассыпалась на сотни мельчайших зерен, и все они плавали в небольшой лужице ацетона. Нам предстояло подождать, пока ацетон испарится, а затем разместить частицы на специальной золотой сетке размером с небольшую монету, которая обычно используется для изучения порошкообразных образцов под просвечивающим электронным микроскопом.

Пучок электронов настолько тонок, что за раз можно исследовать только один участок одного зернышка. В идеале зерно должно иметь сплюснутую форму: широкую по двум направлениям, но очень тонкую в третьем – том, по которому предстоит идти лучу.

Глядя на крошечные зернышки нашего образца, мы с Нанем поняли, что бесполезно даже пытаться разрезать любое из них, добиваясь необходимой толщины, составляющей тысячную долю миллиметра. Нашей единственной надеждой было найти зерно, которое случайно оказалось достаточно тонким и ориентированным в подходящем для наших целей направлении.

К сожалению, продолжить мы смогли не сразу. В Принстоне начинались зимние каникулы, и Центр визуализации на это время закрывался. А на следующие два месяца, по словам Наня, все время на нужном нам микроскопе было уже зарезервировано.

Я не особо тешил себя надеждой на то, что в образце действительно окажется квазикристалл. Примерно десятью годами ранее мы с Питером Лу изучили несколько минералов с многообещающими порошковыми дифрактограммами – и ни один из них не выдержал решающей проверки на просвечивающем электронном микроскопе. Я полагал, что и этот образец исключением, вероятно, не станет. Но мне все равно не хотелось месяцами ждать, чтобы в этом убедиться.

Я спросил Наня, есть ли шанс проверить образец раньше. Он указал на единственное окошко в расписании на следующие два месяца: пять часов утра в пятницу, второго января. Ожидаемо, подумал я. Никто не хотел работать перед рассветом на следующий день после Нового года.

Однако неудобное время меня не обескуражило:

– Прекрасно! – сказал я. – Тогда и увидимся!

И как ни странно, он согласился.

Принстон, 2 января 2009 года

Когда в 4:30 утра зазвонил будильник, температура в Принстоне стояла мерзкая – минус семь градусов. Закутавшись в свое самое теплое зимнее пальто и надев шапку и перчатки, я в темноте отправился в лабораторию визуализации на встречу с Нанем.

Пока я ехал на машине через город, мне внезапно подумалось, что мы с Нанем уже несколько недель назад зарезервировали время, но так и не подтвердили дату. Вдруг он забыл? – задавался я вопросом. Возможно, я зря покинул теплую постель и безо всякой пользы страдаю от холода.

Однако, когда я вошел в лабораторию, Нань как безупречный профессионал уже вовсю там работал. Я сел рядом с ним за просвечивающий электронный микроскоп. Он уже аккуратно поместил в держатель образцов золотую сетку с нашими зернами, загрузил держатель в микроскоп, откачал камеру и приступал к поиску среди зерен перспективного кандидата для исследования. Нань смотрел прямо в микроскоп, а я мог наблюдать за происходящим по изображению на мониторе.

Спустя несколько минут он указал на зерно размером два микрона, что примерно в пятьдесят раз меньше толщины человеческого волоса. Увеличенный снимок этого зерна приведен справа. Под микроскопом оно было похоже на крошечный топор. Нань отметил, что часть зерна около “рукояти” казалась достаточно тонкой, чтобы электроны могли сквозь нее пройти.

Пользуясь регуляторами, он медленно перемещал держатель образца, пока “рукоять” зерна-“топора” не оказалась прямо на оси электронного луча. После нескольких проверок Нань объявил, что готов приступить к эксперименту.

Первым шагом было использование просвечивающего электронного микроскопа в режиме сходящегося луча, который для образцов очень совершенных кристаллов дает узор из пересекающихся полос, называемый линиями Кикучи в честь японского физика Сэйси Кикучи, открывшего этот эффект в 1928 году.

К нашему удивлению, зерно сразу же породило красивые линии Кикучи. Мы не ожидали найти такой идеальный образец в породе и уж тем более с самой первой попытки.

Но что по-настоящему заставило нас раскрыть от удивления рты, так это то, что узор состоял из полос, образующих рисунок с симметрией десятого порядка, представленный на следующей странице. Я не отрываясь смотрел на монитор. Десятилучевая симметрия линий Кикучи была невозможна для обычных кристаллов. Ее обнаружение было для нас первым указанием, что образец действительно может быть природным квазикристаллом.

Я почувствовал, как выпрямляюсь на стуле. Это утро могло оказаться поистине потрясающим!

Линии Кикучи позволяют направить электронный пучок так, чтобы он шел почти в точности вдоль оси симметрии атомной структуры. Нань принялся возиться с элементами управления, чтобы переориентировать образец и переключиться в режим дифракции.