Forscher des Institute of Industrial Science, The University of Tokyo und kooperierender Einrichtungen untersuchten optische Strukturen, die von der „Smith hat“-Form inspiriert sind, mit der ein jahrzehntealtes Einstein-Problem der Mathematik gelöst wurde. In der in Nature Communications veröffentlichten Studie wurde festgestellt, dass diese Strukturen ungewöhnliche chirale Beugungsmuster im Licht erzeugen.
Das Einstein-Problem geht der Frage nach, ob eine einzige Kachelform, ein sogenannter „Monotile“, eine gesamte Fläche bedecken kann, ohne ein sich wiederholendes Muster zu bilden. Forscher hatten 2023 mit dem Smith hat den ersten nichtperiodischen Monotile entdeckt. Dieses auf den ersten Blick unregelmäßig wirkende Muster basiert auf einem Wabengitter.
Das Team stellte mithilfe der Elektronenstrahllithografie nanoskalige Exemplare des Musters auf Siliziumnitridfilmen her. Bei der Beleuchtung der Strukturen mit einem Laser entstanden windradähnliche Beugungsmuster, die sich von denen herkömmlicher Quasikristalle unterschieden. Da dem Muster die Spiegelsymmetrie fehlt, zeigte auch das Licht eine chirale Reaktion. Chiralität bedeutet, dass sich eine Struktur und ihr Spiegelbild nicht vollkommen zur Deckung bringen lassen.
Es zeigte sich, dass sich die Beugungsmuster je nach Richtung und Polarisation des einfallenden Lichts veränderten und dass sich auch das optische Verhalten umkehrte, wenn Spiegelbilder der physischen Strukturen erzeugt wurden. Das Team, dem Yuto Moritake und Masaya Notomi angehörten, erklärte, die Ergebnisse eröffneten ein neues Forschungsfeld zur Untersuchung des Zusammenhangs zwischen Symmetrie, Chiralität und Nichtperiodizität. Diese Strukturen könnten künftig zu optischen Geräten zur Steuerung von Licht und Polarisation beitragen.
Warum das wichtig ist
Dass die Nichtperiodizität des Smith-Huts in der Mathematik ein messbares Gegenstück in optischen Strukturen im Nanomaßstab findet, verbindet ein abstraktes Parkettierungsproblem mit der experimentellen Photonikforschung. Dass er ein anderes Beugungsmuster als herkömmliche Quasikristalle erzeugt, zeigt, dass die optische Reaktion nicht nur vom Material, sondern auch von der Symmetrie des Musters und seiner fehlenden Deckungsgleichheit mit dem Spiegelbild abhängt. Das Verhalten, das sich mit der Richtung und Polarisation des Lichts verändert und sich bei einer gespiegelten Struktur umkehrt, ermöglicht es, den Zusammenhang zwischen Symmetrie, Chiralität und Nichtperiodizität auf derselben Plattform zu untersuchen. Daher bieten die Ergebnisse Forschenden, die an der Steuerung von Licht und Polarisation arbeiten, eine andere Designgeometrie, lassen jedoch die Frage offen, in welchem Umfang sich die beobachteten Eigenschaften praktisch in optischen Geräten nutzen lassen.