От математической загадки к лазерным технологиям. Решение проблемы Эйнштейна помогает физикам закручивать свет в удивительные узоры
Геометрическая фигура под названием «шляпа Смита», которая в свое время всколыхнула научный мир решением десятилетней математической загадки , вновь оказалась в центре внимания физиков.
Новое исследование доказало, что её уникальные свойства позволяют не только решать теоретические задачи, но и открывать ранее неизвестные физические явления — в частности, управлять светом и закручивать его в хиральные узоры.
В статье, опубликованной в журнале Nature Communications, ученые из Института промышленных наук Токийского университета и их коллеги описали создание оптических наноструктур на основе «шляпы Смита» . Эта необычная форма стала первым найденным в 2023 году «монотайлом» — единственной плиткой, способной полностью замостить плоскость без создания повторяющегося узора, что решило так называемую «проблему Эйнштейна».
Несмотря на то, что образованная мозаика кажется хаотичной, в ее основе лежит сотовая решетка. Чтобы проверить оптические свойства этой формы, исследователи с помощью электронно-лучевой литографии создали наноразмерные структуры на тонких пленках нитрида кремния. При облучении этих объектов лазерным светом ученые зафиксировали уникальные дифракционные картины, напоминающие вертушки.
Ведущие авторы исследования Юто Моритаке и Масая Нотоми объяснили, что сами дифракционные картины становятся хиральными из-за отсутствия зеркальной симметрии в структуре. Такой оптический отклик принципиально отличается от поведения классических квазикристаллов. Характер дифракции менялся в зависимости от направления и поляризации падающего света, а зеркальное отражение структур в реальном пространстве приводило к соответствующим изменениям их оптического поведения.
Ученые убеждены, что эти результаты закладывают основу для нового направления исследований на стыке апериодического порядка и хиральности. Структуры на основе монотайла открывают перспективы для разработки новейших оптических устройств, эффективного контроля поляризации и точного управления световыми лучами, демонстрируя, как абстрактная математика преобразуется в практические физические технологии.