Исследователи из Токийского университета обнаружили, что наноразмерные версии знаменитого математического тайла «шляпа» создают ранее не наблюдавшиеся хиральные паттерны дифракции света.
Тайл «шляпа» в форме «эйнштейна» — математический курьёз, решивший многолетнюю задачу о покрытии бесконечной плоскости без повторяющихся паттернов, — преподнёс неожиданный сюрприз миру физики. Исследователи Токийского университета выяснили, что наноразмерные структуры на основе этого тайла создают ранее не наблюдавшуюся хиральную дифракцию света, открывая новые горизонты для оптических технологий.
От математической задачи к фотонному открытию
В исследовании, опубликованном в среду в журнале Nature Communications, группа учёных под руководством Юто Моритаке из Института промышленных наук Токийского университета создала наноразмерные версии паттерна из «шляпных» плиток на плёнках нитрида кремния с помощью электронно-лучевой литографии. Когда на структуры направляли лазерный свет, возникали характерные веерообразные дифракционные паттерны — узоры с выраженной «хиральностью», которые выглядят иначе при отражении в зеркале.
«Шляпная» плитка — 13-угольник, открытый математиком-любителем Дэвидом Смитом в 2023 году, — стала первой формой, математически доказанно способной покрывать бесконечную плоскость без какого-либо повторения. Тем самым была решена так называемая проблема Эйнштейна — каламбур, основанный на немецком словосочетании «ein Stein» («один камень»), не имеющий отношения к знаменитому физику. Несмотря на то что математические свойства плитки были хорошо изучены, её физические характеристики оставались неисследованными.
Неожиданная хиральность
«Мы обнаружили, что сами дифракционные картины становятся хиральными, поскольку структуре не хватает зеркальной симметрии», — сказал старший автор Масая Нотоми. «Такой оптический отклик принципиально отличается от наблюдаемого в традиционных квазикристаллических материалах».
Хиральная дифракция поначалу была неожиданной, рассказал Моритаке в беседе с Scientific American, однако команда пришла к выводу, что она должна возникать из-за inherent асимметрии лежащей в основе плитки-«шляпы». Их эксперименты также показали, что дифракционная картина смещается в зависимости от направления и поляризации падающего света, а зеркальные структуры дают соответствующие обращения в оптическом поведении.
Потенциал для оптических технологий
По словам исследователей, полученные результаты могут открыть новые способы управления поляризацией света — свойством, лежащим в основе телекоммуникаций и квантовой криптографии. «Паттерны монотайла создают платформу для изучения оптических явлений, возникающих на пересечении симметрии, хиральности и апериодичности», — отметил Моритаке.
Эта работа наглядно показывает, как абстрактное математическое открытие, рождённое из увлечения одного любителя геометрическими фигурами, способно неожиданно открыть новую физику с практическими приложениями в фотонных устройствах и системах управления светом.
Комментариев нет:
Отправить комментарий