레이저 빛을 비추면, 콜로이드 입자들은 준결정(quasicrystals)이라고 불리는 매우 잘 정렬된 구조로 그들 자신을 배열한다. 레이저의 상을 변화시킴으로써, 연구진은 콜로이드 입자들이 다른 방법으로 그들 자신을 배열하도록 하였다. 이러한 집단적 재배열은 페이존(Phasons)이라고 하는 매우 독특한 준결정의 속성 때문에 일어난다. 비록 과학자들이 준결정 내의 페이존 효과를 이미 관찰했지만, 페이존이 무엇인지를 이론적으로 설명하는 데에는 두 가지의 다른 방법이 있다. 새로운 연구에서, 물리학자들은 준결정의 특수성에 관련된 특이한 원자의 움직임에 관해서 명확한 그림을 제공하는 두 해석을 연결하여 페이존을 이해하는 방법을 제공했다.

베를린 기술 연구소(The Berlin Institute of Technology)의 물리학자인 Justus A. Kromer와 Holger Stark, 그리고 독일 뒤셀도르프에 있는 하인리히 하이네 대학(Heinrich Heine University)의 Michael Schmiedeberg, 스투트가르트 대학(the University of Stuttgart)의 Johannes Roth는 페이존에 관한 그들의 연구 논문을 Physical Review Letters 저널 최근호에 발표하였다. 준결정은 1982년 재료 물리학자인 Dan Shechtman에 의해 발견된 이후로 과학자들에게 강한 흥미를 불러일으켰다. 그는 2011년 노벨 화학상을 받기도 했다. 준결정은 그 배열 구조가 기존의 결정체와는 달리 매우 특이하며, 그 패턴이 주기적 반복을 하지 않는다. 또한, 그것들은 병진 대칭성(Translational Symmetry)도 보이지 않는다. 이들의 구조는 복잡한 원자 형태를 보이고 있다.

페이존은 기존 결정체에는 없는 준결정이 가진 많은 속성 중 하나이다. 그것들을 이론적으로 설명하는 데에는 몇 가지의 방법들이 있다. 유체 역학 이론(Fluid dynamics theory)에서, 과학자들은 페이존을 유체 역학 모드나 지속적인 동작 패턴으로써 설명한다. 이 관점에서, 페이존은 원자가 그들 자신을 배열하는 동작 패턴으로써 간주한다. 이는 원자가 진동(앞뒤로 움직이는 동작)하는 동작 패턴으로서의 광자를 어떻게 설명되느냐와 비슷하다. 또 다른 관점에서, 페이존은 지속적인 움직임으로써가 아니라 집단적 점프나 원자가 다른 곳으로 이동하기 위한 “플립(Flip), 튕겨 올라감” 정도로 보고 있다. 이러한 방식으로 설명할 때, 페이존 역학은 다른 방정식을 사용하여 다른 맥락으로 계산할 수 있다.

새로운 연구에서, 물리학자들은 페이존에 관한 모든 설명이 콜로이드 입자 모델에 의해서 합쳐질 수 있음을 보여 주었다. 연구진은 5개의 간섭 레이저 빔을 사용하여 콜로이드 입자가 준결정 구조로 가는 것을 방해하는 시뮬레이션을 개발했다. 레이저를 조절함으로써, 그들은 원자 변위를 일으키는 페이존 이동을 만들어낼 수 있었다. “우리는 외부 레이저 퍼텐셜에서 콜로이드를 연구했다. 페이존 이동에 들어맞는 퍼텐셜 변화를 만들기 위하여, 우리는 지속해서 페이존을 연구했다. 콜로이드 탄도는 페이존이 튕겨 올라가는 것과 관련이 있다.”라고 Schmiedeberg가 말했다. 콜로이드 탄도를 연구함으로써, 과학자들은 콜로이드가 국소 최소점(Local Minimum)이나 저에너지에 있을 때는 거의 움직이지 않는다는 것을 발견했다. 그러나 퍼텐셜의 페이존 이동은 이러한 최소점을 사라지게 하고, 콜로이드가 페이존 플립과 들어맞는 또 다른 국소 최소점으로 내려가도록 한다. 따라서 최소 또는 최대 위치를 분석함으로써, 연구진은 준결정 내의 원자 재배열이 유도한 페이존을 예측할 수 있었다.

연구진이 개별 페이존의 효과는 관찰했지만, 페이존 이동에 따른 입자의 집단 운동 패턴은 아직은 연구하지 못했다. “우리는 준결정 내의 페이존 모드에 의한 입자의 집단 운동을 예측하는 데 도움을 줄 수 있는 새로운 도구를 소개했다. 우리는 이러한 연구가 페이존의 특성에 관한 향후 연구에 영감을 줄 수 있기를 희망한다. 페이존 재배열에 관한 깊은 통찰력은 준결정의 속성이 어떻게 페이존 모드와 관련 있는지를 이해하는 데 도움을 줄 것이다.”라고 Schmiedeberg가 말했다. 그는 페이존에 관한 더 나은 이해가 준결정의 잠재적 응용력을 확대할 수 있다고 설명했다. “준결정은 매우 특별한 물질 속성이 있기 때문에, 새로운 물질을 개발하는 데 있어서 많은 잠재력이 있다.
예를 들어, 그것들은 이미 점착 방지 코팅(Anti-stick coatings)에 사용되고 있다. 또한, 그것들은 특별한 전기 및 기계적 속성이 있기 때문에, 촉매제로써 사용될 수 있을 것이다. 콜로이드 준결정은 광자 구조를 개발하는 데 활용할 수도 있다. 페이존 모드는 열적으로 활성화될 수 있기 때문에, 특정 열이나 연성, 전기 저항과 같은 준결정의 물질 속성을 변화시킬 수 있다. 이론적 모델로부터 이러한 속성을 예측하기 위해서는, 페이존 모드의 특성을 이해해야 한다.”라고 그는 말했다.