Nature子刊：超高对称性纳米材料或将应用于下一代电子设备

球形原子具有最高的几何对称性，因此表现出称为简并性的高度多样性量子态。人们一直认为，由于几何限制，其他多原子结构的对称性都不能超过球体的对称性。然而，东京工业大学的科学家们现已证明，膨胀的四面体（最左边）可以表现出超过球形原子的异常简并状态。图片来源：《自然通讯》

日本东京工业大学的科学家从理论上证明，由某些金属组成的特殊四面体纳米结构比球形原子的几何对称性具有更高的对称度。这种前所未有的电磁纳米材料已经能制造出来，并将其用于下一代电子器件中。科学家在《自然通讯》中报道了他们的发现。

作为物理学和化学中最基本的概念之一，对称性研究可以促进人们更深入地了解塑造宇宙的自然法则。显然，作为球型的原子自然具有最高程度的几何对称性。

对称性通常会产生一种有趣的特性——高度简并性。这是量子能级的特征，其中给定的能级可以同时对应于量子系统中的两个或更多不同的状态。简并性会使材料具有高导电性和磁性的特征，可用于制造新型电子材料。

不幸的是，考虑到几何对称性的限制，已知没有物质具有比球形原子更高的简并度。但是，如果物质具有不同类型的对称性导致其产生更高程度的简并呢？如何解释这种对称性呢？

Kimihisa Yamamoto和他在东京工业大学的同事们展示了具有这种新型对称性的金属纳米材料。该团队推断：由锌和镁等金属原子构成的特殊膨胀四面体结构可能具有一种特殊的对称性，这种对称性不是来自几何特性，而是来自系统的动态特性。

“我们已经证明：具有特定四面体骨架的镁、锌和镉晶簇具有比球形更高的反常简并度”Yamamoto解释说。

该团队采用紧束缚模型分析，通过密度泛函理论计算验证，以确定一般条件下原子之间的键合相互作用（转移积分），从而产生所预测的动态对称性。“令人惊讶的是，简并条件可以表示为一个与转移积分率相关的平方根数学序列”，Yamamoto说：“令人印象深刻的是，这个序列早已被古希腊的Theodorus发现，但它与材料科学并不相关。”