Vědci z Číny vytvořili na vodní hladině dvourozměrné kvazikrystaly s pětičetnou symetrií

Tým vědců z Xiamen University v Číně pod vedením Jun-lianga Duana vytvořil dvourozměrné kvazikrystaly na hladině mělké vody, čímž otevřel nový pohled na to, jak se v tekutinách mohou objevovat uspořádané, ale neperiodické struktury. Výsledky práce, provedené 29. září 2026, popsali ve studii nazvané „Quasicrystal topological hydrodynamics“, publikované v časopise Physical Review X.

Kvazikrystaly jsou materiály, které mají uspořádanou strukturu, ale na rozdíl od běžných krystalů se jejich vzor nikdy přesně neopakuje. Poprvé byly objeveny v pevných látkách v osmdesátých letech dvacátého století a od té doby se vědci snaží pochopit, zda podobné struktury mohou vznikat i v jiných fyzikálních systémech. Čínský tým nyní ukázal, že takové vzory lze vytvořit přímo pozorovatelným a relativně jednoduchým způsobem – pomocí vln na vodní hladině.

Experiment probíhal v nádobě s vodou, na jejímž okraji bylo umístěno pět plochých aktorů (vibračních zdrojů vln) uspořádaných do pravidelného pětiúhelníkového vzoru. Každý z nich generoval vlny se shodnou amplitudou a vlnovou délkou. Díky této symetrii a vzájemné interferenci jednotlivých vlnových front vznikly na hladině vzory s pětičetnou symetrií – tedy typem symetrie, který je pro klasické periodické krystaly zakázaný, ale je charakteristický právě pro kvazikrystaly.

Vědci pozorovali celkem tři odlišné typy pětičetných kvazikrystalických vzorů na vodní hladině. Podle autorů studie tyto vzory odpovídají různým řezům trojrozměrného vektorového pole, což naznačuje, že pozorované struktury nejsou jen náhodným optickým jevem, ale mají hlubší matematický základ spojený s topologií vlnění.

Kromě samotné geometrie vzorů tým objevil i to, že v kvazikrystalických mřížkách vznikají takzvané skyrmiony – topologicky stabilní struktury, které se v posledních letech zkoumají především v magnetických materiálech a kvantové fyzice. V tomto případě šlo o topologické útvary vznikající přímo z interferujícího vlnění na vodní hladině, což je spojuje s širší oblastí zvanou topologická hydrodynamika.

Nejpozoruhodnějším praktickým zjištěním bylo, že víry (vortexy), které se v kvazikrystalických vzorech přirozeně tvoří, dokážou zachytit a roztočit malé polystyrenové kuličky umístěné na hladině vody. Tento jev ukazuje, že topologické vlastnosti vlnových vzorů mají reálný, měřitelný dopad na pohyb objektů v jejich blízkosti – voda zde funguje jako jakýsi mechanický analog jevů, které se jinak zkoumají v mnohem složitějších a méně přístupných systémech, jako jsou optické vlny nebo kvantové materiály.

Výzkum čínského týmu tak nabízí nový, experimentálně snadno dostupný model pro studium kvazikrystalických a topologických jevů. Zatímco klasické kvazikrystaly se zkoumají obtížně, protože vyžadují speciální materiály a sofistikované zobrazovací techniky, vodní vlny lze pozorovat přímo pouhým okem nebo jednoduchou kamerou. To otevírá možnost využít tento systém jako laboratorní model pro testování teoretických předpovědí týkajících se chování vln v neperiodických strukturách.

Práce zapadá do širšího trendu posledních let, kdy fyzici hledají analogie mezi různými typy vlnění – ať už jde o světlo, zvuk, nebo právě vodní vlny – a snaží se v nich najít společné topologické vlastnosti. Pokud se podobné experimenty podaří rozšířit i na jiné geometrie uspořádání zdrojů vln, mohlo by to pomoci lépe pochopit, jak topologické struktury vznikají a jak je lze řídit nebo využít v praktických aplikacích, například při manipulaci s malými částicemi na vzdálenost bez přímého kontaktu.

Studie Jun-lianga Duana a jeho kolegů z Xiamen University byla publikována v časopise Physical Review X pod názvem „Quasicrystal topological hydrodynamics“ (Phys. Rev. X 16, 031078, 2026).