Исследователи из Institute of Industrial Science, The University of Tokyo и сотрудничающих с ним учреждений изучили оптические структуры, вдохновлённые формой «Smith hat», которая решила существовавшую десятилетиями математическую задачу Эйнштейна. В исследовании, опубликованном в Nature Communications, установлено, что эти структуры создают необычные хиральные дифракционные картины света.
Задача Эйнштейна заключается в том, может ли одна форма плитки, называемая «монотайлом», покрыть всю поверхность, не образуя повторяющегося узора. Исследователи открыли Smith hat — первый непериодический монотайл — в 2023 году. Этот узор, на первый взгляд кажущийся нерегулярным, формируется из сотовой решётки.
Команда изготовила наноразмерные образцы узора на плёнках нитрида кремния с помощью электронно-лучевой литографии. При лазерном освещении структур возникли напоминающие вертушку дифракционные картины, отличающиеся от тех, что наблюдаются в традиционных квазикристаллах. Отсутствие у узора зеркальной симметрии привело к тому, что свет также демонстрировал хиральный отклик. Хиральность означает невозможность идеального совмещения структуры с её зеркальным отражением.
Было установлено, что дифракционные картины меняются в зависимости от направления и поляризации падающего света, а при создании зеркального отражения физических структур их оптическое поведение также меняется на противоположное. Команда, в которую вошли Yuto Moritake и Masaya Notomi, отметила, что результаты открывают новое направление для изучения взаимосвязи между симметрией, хиральностью и непериодичностью. В будущем эти структуры могут способствовать созданию оптических устройств для управления светом и поляризацией.
Почему это важно
Обнаружение измеримого проявления математической непериодичности Smith hat в наноразмерных оптических структурах связывает абстрактную задачу замощения с экспериментальными исследованиями в области фотоники. То, что она создаёт дифракцию, отличную от традиционных квазикристаллов, показывает, что оптический отклик зависит не только от материала, но и от симметрии рисунка и отсутствия его совмещения с зеркальным отражением. Поведение, которое меняется в зависимости от направления и поляризации света, а в зеркальной структуре становится противоположным, позволяет исследовать взаимосвязь между симметрией, хиральностью и непериодичностью на одной платформе. Поэтому результаты предлагают исследователям, работающим над управлением светом и поляризацией, иную геометрию проектирования, одновременно оставляя открытым вопрос о том, в какой степени наблюдаемые свойства могут быть практически использованы в оптических устройствах.