Решение математической задачи Эйнштейна привело к новым открытиям в физике. Исследователи выяснили, что конструкции на основе «шляпы Смита» способны генерировать хиральные световые паттерны. Рассмотрим принцип и потенциальные возможности данной технологии.
Фигура, которая решила одну из самых известных математических задач последнего десятилетия — проблему «монотиля Эйнштейна», нашла неожиданное применение в физике. Исследователи из Токийского университета, занимающегося промышленными науками, выяснили, что структура, основанная на плитке «шляпа Смита», может преобразовывать обычный лазерный свет в необычные хиральные узоры.
Проблема Эйнштейна заключалась в нахождении единственного образца, который мог бы замостить бесконечную плоскость, не создавая повторяющихся узоров. На протяжении многих лет математики искали такую апериодическую монотиль. В 2023 году решение было найдено — это оказалась фигура, напоминающая широкую шляпу с полями. Несмотря на то, что получившийся узор выглядит хаотично, он основан на строгой сотовой решетке.
«Мы стремились выяснить, может ли эта уникальная форма также вызывать какие-либо неожиданные физические эффекты», — рассказывает ведущий автор исследования Юто Моритаке. Чтобы проверить гипотезу, ученые разработали наноразмерные структуры из нитрида кремния, применяя электронно-лучевую литографию. Когда исследователи направили лазерный луч на эти миниатюрные «шляпы», они наблюдали на экране дифракционные картины, которые ранее никогда не были зафиксированы в квазикристаллах.
Узоры имели форму вертушек и обладали хиральностью — то есть существовали в виде «левой» и «правой» версий, которые невозможно совместить в пространстве. «Мы выяснили, что сами дифракционные картины становятся хиральными, так как структура не обладает зеркальной симметрией. Этот тип оптического отклика принципиально отличается от наблюдаемого в обычных материалах», — поясняет профессор Масая Нотоми.
Эксперименты также продемонстрировали, что рисунок света меняется в зависимости от направления и поляризации лазера. Если ученые создавали зеркальную копию структуры, оптический отклик также изменялся соответствующим образом.
По мнению специалистов, результаты исследования открывают новое направление в науке на стыке апериодического порядка и хиральности. Монотильные структуры могут стать основой для изучения фундаментальных законов взаимодействия света со сложными материалами. Команда надеется, что устройства, созданные по образцу «шляпы Смита», найдут применение в управлении направлением света, контроле поляризации лучей и разработке передовых оптических сенсоров.
Фото: hi-tech.mail.ru