Institute of Industrial Science, The University of Tokyo ve iş birliği yaptığı kurumlardan araştırmacılar, matematikte onlarca yıllık Einstein problemini çözen “Smith hat” biçiminden esinlenen optik yapıları inceledi. Nature Communications’ta yayımlanan çalışmada, bu yapıların ışıkta alışılmadık kiral kırınım desenleri oluşturduğu belirlendi.
Einstein problemi, “monotile” adı verilen tek bir karo biçiminin, tekrar eden bir düzen oluşturmadan bütün bir yüzeyi kaplayıp kaplayamayacağını sorguluyor. Araştırmacılar, ilk periyodik olmayan monotile olan Smith hat’i 2023’te keşfetmişti. İlk bakışta düzensiz görünen bu desen, bal peteği kafesinden oluşturuluyor.
Ekip, elektron ışını litografisi kullanarak silikon nitrür filmler üzerinde desenin nano ölçekli örneklerini üretti. Lazerle aydınlatılan yapılarda, geleneksel kuazikristallerdekilerden farklı, fırıldağı andıran kırınım desenleri ortaya çıktı. Desenin ayna simetrisinden yoksun olması, ışığın da kiral bir tepki vermesine yol açtı. Kiralite, bir yapı ile ayna görüntüsünün kusursuz biçimde üst üste getirilememesini ifade ediyor.
Kırınım desenlerinin, gelen ışığın yönüne ve polarizasyonuna göre değiştiği; fiziksel yapıların ayna görüntüsü oluşturulduğunda optik davranışın da tersine döndüğü görüldü. Yuto Moritake ve Masaya Notomi’nin yer aldığı ekip, bulguların simetri, kiralite ve periyodik olmama arasındaki ilişkiyi incelemek için yeni bir alan açtığını belirtti. Bu yapılar gelecekte ışığın ve polarizasyonun kontrolüne yönelik optik aygıtlara katkı sağlayabilir.
Neden önemli
Smith hat’in matematikteki periyodik olmama özelliğinin nano ölçekli optik yapılarda ölçülebilir bir karşılık bulması, soyut bir döşeme problemini deneysel fotonik araştırmalarına bağlıyor. Geleneksel kuazikristallerden farklı kırınım üretmesi, optik tepkinin yalnızca malzemeye değil, desenin simetrisine ve ayna görüntüsüyle örtüşmemesine de bağlı olduğunu gösteriyor. Işığın yönü ve polarizasyonuyla değişen, ayna yapıdaysa tersine dönen davranış; simetri, kiralite ve periyodik olmama arasındaki ilişkinin aynı platformda sınanabilmesini sağlıyor. Bu nedenle bulgular, ışık ve polarizasyon kontrolü üzerinde çalışan araştırmacılar açısından farklı bir tasarım geometrisi sunarken, gözlenen özelliklerin pratikte optik aygıtlarda ne ölçüde kullanılabileceği sorusunu açık bırakıyor.