Невозможность второго рода. Невероятные поиски новой формы вещества

Как только он нажал на переключатель, на экране появилось изображение, совершенно меня поразившее. Я увидел созвездие четких дифракционных точек, которые располагались в форме снежинки, состоящей из пятиугольников и десятиугольников, – идеальный узор для икосаэдрического квазикристалла. Я почувствовал, как мое лицо расплывается в улыбке. Я буквально не верил своим глазам. Это была электронная дифракционная картина, гораздо более совершенная, чем та, которую Шехтман получил в 1982 году. Но у него образец был синтетическим, а здесь – природным. Я с благоговением рассматривал изображение на экране.

Мы с Нанем не кричали “Эврика!”, не хлопали в ладоши, не поздравляли друг друга. Мы сидели в полной тишине, потому что в словах не было необходимости. Мы оба понимали, что стали свидетелями “невозможности второго рода”. Это было первое открытие природного квазикристалла.

Большинство ученых работают всю жизнь в надежде поймать такой момент. Сидя вместе и поеживаясь от холода в еще не прогревшейся лаборатории, мы с Нанем прекрасно осознавали, как нам повезло. Это был момент тихого ошеломления.

Прошло почти двадцать пять лет с тех пор, как я впервые начал свои неформальные поиски природного квазикристалла в коллекциях минералов музеев естествознания. Десять – с тех пор, как мы с Нанем, Питером и Кеном начали систематический поиск по всемирной базе данных минералов. Многие считали этот трудоемкий проект безнадежным и, возможно, даже немного дурацким. Как скептики и предсказывали, мы так и не получили ни одного обнадеживающего результата. Фактически мы даже близко к нему не подошли.

И все же этот безуспешный поиск привел меня к Луке Бинди и давно забытому образцу в хранилище его музея. И теперь ни одно из этих десятилетий неудач ничего не значило. Все изменилось благодаря изображению, что я видел на мониторе. На следующей странице представлена сильно переэкспонированная версия первой дифракционной картины, которую мы увидели тем утром.

Все еще любуясь изображением, мы с Нанем наконец начали обмениваться репликами. Наш разговор был очень деловым – мы спокойно обсуждали дальнейшие шаги.

Первым делом требовалось разместить образец на держателе, позволяющем наклонять его под точно заданными углами, чтобы пронаблюдать различные узоры в разных направлениях. Этот тест должен был иметь решающее значение и показать, что образец обладает всеми симметриями икосаэдра.

По словам Наня, это можно было сделать, только впустив воздух в вакуумную камеру, где находился образец, и затем переустановив держатель – сложная операция, требовавшая времени. Хотя официально оборудование было зарезервировано другими людьми, масштаб нашего открытия побудил Наня попытаться урвать на неделе время для этой проверки. А пока что нам обоим пора было идти домой.

Морозные улицы Принстона все еще были темными и пустынными, когда я покинул лабораторию. Но я уже не обращал внимания на холод. Я ехал домой в некой грезе наяву, снова и снова мысленно воспроизводя это утро. Природный квазикристалл. Невозможно.

Вздремнув, я через несколько часов отправил Луке электронное письмо с темой “Квазисчастливого Нового года”. Мой итальянский коллега был третьим человеком в мире, который узнал об открытии природных квазикристаллов. Но Лука, вероятно, сказал бы, что он был первым. Первоначальные порошковые дифракционные тесты в его лаборатории во Флоренции дали неоднозначные результаты. Но научная интуиция Луки, которая в течение следующих нескольких лет еще не раз подтверждала свою удивительную точность, вселила в него полную уверенность в том, что материал, который он мне прислал, содержит квазикристалл.

Через несколько дней Нань, как и обещал, сумел выкроить чуть больше времени на просвечивающем электронном микроскопе. Он поворачивал образец под разными углами и получил серию дифракционных картин с симметрией прямоугольника (см. слева внизу) и шестиугольника (справа).

Углы, под которыми Наню требовалось поворачивать образец, чтобы перейти от десятилучевого узора к прямоугольному, а затем к шестиугольному, точно соответствовали предсказываемым для икосаэдра; например, угол между воображаемой линией, соединяющей центр икосаэдра с одной из его вершин, и линией, идущей от центра икосаэдра к центру одной из его треугольных граней. Это было неоспоримым доказательством того, что наше зерно обладает идеальной икосаэдрической симметрией.

Предварительный тест Луки показал, что зерна содержали алюминий, железо и медь примерно в той же пропорции, которую Ан-Пан Цай и его коллеги измерили в историческом образце, открытом ими в 1987 году, – первом достоверном примере синтетического квазикристалла с точечными дифракционными пиками. Но для полной уверенности нам нужно было провести более точное измерение.