北科大Nature子刊：时隔22年，发现一种新的准晶准单胞

传统的晶体材料在晶体结构上可以用一个可重复的单胞来描述。这些单胞分属于7大晶系14种布拉菲点阵，大大简化了人们对晶体的结构的确定和理解。然而，准晶体是一种不具有周期平移对称性的非周期晶体。它不具有传统晶体类似的周期平移单胞，这给准晶的晶体结构的理解和解析等带来了很大的困难。在准晶研究初期，广泛采用由胖瘦菱形组成的Penrose拼图来描述准晶的结构。虽然Penrose拼图能形成类似于准晶的长程准周期平移序和五次对称，然而Penrose拼图需要至少两种结构单元，终究还是给准晶结构的描述和解析带来了不便，也不能解释准晶生长等一些关键科学问题。因而“准晶体能否有一个像传统晶体一样的单胞?”就成为准晶研究领域关注的重要科学问题之一。
1998年，普林斯顿大学的Paul J. Steinhardt教授（准晶的命名者）等在Nature上发表文章，报道了第一个在实验上观察到的准晶准单胞（图1）。该准单胞是一种由德国数学家P. Gummelt提出的双色十边形，采用非常严格的重叠规律来铺满整个平面。因用准单胞来描述准晶即可简化对准晶体结构的理解，也可以解释准晶体的生长，因而被认为是一种比Penrose拼图更“物理”的方式，为准晶研究领域所广泛认同。然而由于Gummelt准单胞必须遵循严格的覆盖规则，这跟绝大多数准晶实际上的结构不符。因而实验上的Gummelt准单胞也鲜有更多的报道。

图1普林斯顿大学的PaulJ. Steinhardt等在实验上发现的Gummelt类型的十边形准单胞及长程准周期拼图。【Steinhardt, P. J. et al. Experimentalverification of the quasi-unit-cell model of quasicrystal structure. Nature396,55-57 (1998).】
时隔22年，北京科技大学何战兵教授团队发现了一种新的准晶准单胞。研究者们通过原子级分辨的高角环形暗场透射电子显微学研究，在Al-Cr-Fe合金系中发现了这种新的准单胞（图3，图4）。它是由三个扁六边形和一个领结组成的十边形，这跟德国马普所的科学家Reinhard Lück提出的十边形相似，因而称之为Lück准单胞，用D3H 1B表示。跟Gummelt准单胞不同，这种新的Lück准晶准单胞采用覆盖和相切相结合的灵活方式满整个二维平面，不用遵循严格的覆盖规律，因而更符合十次准晶中十边形结构块的实际连接情况。