درس باحثون من Institute of Industrial Science, The University of Tokyo والمؤسسات المتعاونة معه بُنى بصرية مستوحاة من شكل «Smith hat»، الذي حل مسألة Einstein المستعصية منذ عقود في الرياضيات. وخلصت الدراسة، المنشورة في Nature Communications، إلى أن هذه البُنى تُنتج أنماط حيود كيرالية غير مألوفة للضوء.
تتساءل مسألة Einstein عما إذا كان يمكن لشكل واحد من البلاط، يُسمى «البلاطة الأحادية»، أن يغطي سطحًا كاملًا من دون تكوين نمط متكرر. وكان الباحثون قد اكتشفوا «Smith hat»، أول بلاطة أحادية غير دورية، في 2023. وهذا النمط، الذي يبدو غير منتظم للوهلة الأولى، مُشكَّل انطلاقًا من شبكة خلية النحل.
أنتج الفريق نماذج نانوية من النمط على أغشية نتريد السيليكون باستخدام الطباعة الحجرية بحزمة الإلكترونات. وعند إضاءة البُنى بالليزر، ظهرت أنماط حيود تشبه الدوّامة وتختلف عن تلك الموجودة في أشباه البلورات التقليدية. وأدى افتقار النمط إلى التناظر المرآتي إلى استجابة كيرالية من الضوء أيضًا. وتشير الكيرالية إلى عدم إمكانية التطابق التام بين بنية ما وصورتها في المرآة.
وتبيّن أن أنماط الحيود تتغير وفقًا لاتجاه الضوء الساقط واستقطابه، وأن السلوك البصري ينعكس أيضًا عند إنشاء صورة مرآة للبُنى المادية. وذكر الفريق، الذي يضم Yuto Moritake وMasaya Notomi، أن النتائج تفتح مجالًا جديدًا لدراسة العلاقة بين التناظر والكرالية واللادورية. وقد تسهم هذه البُنى مستقبلًا في تطوير أجهزة بصرية للتحكم في الضوء والاستقطاب.
لماذا يُعد ذلك مهمًا
إن العثور على مقابل قابل للقياس على المقياس النانوي في البُنى البصرية لخاصية اللادورية التي تتميز بها Smith hat في الرياضيات يربط مسألة تبليط مجردة بأبحاث الفوتونيات التجريبية. ويُظهر إنتاجها حيودًا مختلفًا عن أشباه البلورات التقليدية أن الاستجابة البصرية لا تعتمد على المادة فحسب، بل أيضًا على تناظر النمط وعدم تطابقه مع صورته في المرآة. ويتيح السلوك الذي يتغير بحسب اتجاه الضوء واستقطابه وينعكس في البنية المرآتية اختبار العلاقة بين التناظر والكرالية واللادورية على المنصة نفسها. لذلك، تقدم النتائج هندسة تصميم مختلفة للباحثين العاملين على التحكم في الضوء والاستقطاب، بينما تترك مفتوحًا سؤال مدى إمكانية استخدام الخصائص المرصودة عمليًا في الأجهزة البصرية.