Геометрия против симметрии. Решение давней математической загадки раскрыло новые физические свойства света

Это открытие указывает на принципиально новые пути изучения того, как сложная геометрия способна влиять на оптическое поведение материалов.

Согласно исследованию, опубликованному в научном издании Nature Communications, группа ученых из Института промышленных наук Токийского университета и партнерских организаций создала специальные оптические структуры, вдохновленные так называемой «шляпой Смита». Эта геометрическая форма известна тем, что решает сложную математическую задачу по покрытию поверхности моноплиткой. В отличие от привычных симметричных узоров, апериодический монолит способен заполнять пространство, никогда не образуя повторяющихся элементов. В 2023 году открытие первой подобной матрицы произвело фурор в научном мире.

Чтобы проверить физический потенциал фигуры, исследователи изготовили наноразмерные версии этого рисунка на пленках из нитрида кремния с помощью электронно-лучевой литографии. Когда лазерный луч направлялся на созданные структуры, дифракционные картины приобретали характерные формы, напоминающие вращающийся пропеллер. Это напрямую проявляло хиральный характер апериодической структуры. Хиральность означает особую направленность, при которой объект и его зеркальное отражение не могут полностью совпасть при наложении, что приводит к уникальному оптическому отклику света.

Кроме того, физики обнаружили, что дифракционная картина динамически меняется в зависимости от направления и поляризации падающего излучения. Когда физические структуры подвергались зеркальному отражению, их оптическое поведение также зеркально сменялось противоположным. Это доказало прямую зависимость реакции света от симметрии базового рисунка.

По мнению авторов работы, такие монотильные структуры открывают отличную платформу для разработки передовых оптических устройств, управления поляризацией света и создания новейших технологий будущего.