Наноструктуры на основе плитки-шляпы продемонстрировали хиральную дифракцию света

Оптические структуры, разработанные по мотивам математической фигуры «шляпа Смита», продемонстрировали необычные свойства света. В исследовании, опубликованном в журнале Nature Communications, учёные из Института промышленной науки Токийского университета и их коллеги создали наноструктуры, вдохновлённые этой геометрией, и при лазерном облучении зафиксировали дифракционные эффекты, отличающиеся от наблюдаемых в обычных квазикристаллах. Эту информацию сообщает издание Science XXI.

«Шляпа Смита» стала известна как решение задачи Эйнштейна о существовании одиночной плитки (монотайл), способной замостить поверхность без повторяющегося узора. В отличие от привычных покрытий, таких как шахматная доска или пчелиные соты, апериодический монотайл заполняет плоскость, не переходя в повторяющуюся конфигурацию. Первую такую фигуру нашли в 2023 году, что привлекло внимание к решению долгожданной математической проблемы.

«Интересно, что хотя узор плитки-шляпы выглядит нерегулярным, он основан на гексагональной решётке», — отметил ведущий автор Юто Моритаке. — «Мы хотели проверить, может ли эта уникальная форма порождать неожиданные физические явления». Для этого исследователи создали наноразмерные версии узора на плёнках из нитрида кремния с помощью электронно-лучевой литографии. При облучении лазером структуры формировали дифракционную картину в виде вертушки, отражая хиральный характер апериодической структуры, что означает, что объект и его зеркальное отражение не совпадают полностью.

«Мы обнаружили, что дифракционные картины становятся хиральными, поскольку структура лишена зеркальной симметрии», — пояснил старший автор Масая Ноотоми. — «Этот оптический отклик принципиально отличается от того, что наблюдается в традиционных квазикристаллических материалах». Также выяснили, что дифракционная картина меняется в зависимости от направления и поляризации света. Когда физические структуры зеркально отражали, их оптическое поведение менялось на противоположное, что показало связь реакции света с симметрией узора.

«Эти результаты открывают новое направление исследований на стыке квазипериодического порядка и хиральности», — отметил Моритаке. — «Монотайл-паттерны предоставляют платформу для изучения оптических явлений, возникающих из взаимодействия симметрии, хиральности и апериодичности». Исследователи предполагают, что структуры, вдохновлённые монотайлами, могут быть использованы в технологиях управления светом, контроля поляризации и создания продвинутых оптических устройств. В более широком смысле работа демонстрирует, как открытие, начавшееся с абстрактной математической задачи, приводит к неожиданным физическим эффектам.