Οι οπτικές δομές που βασίζονται στο καπέλο Smith παρήγαγαν ασυνήθιστα μοτίβα φωτός που αντανακλούσαν την έλλειψη συμμετρίας κατόπτρου και άλλαζαν με την κατεύθυνση και την πόλωση του φωτός.
Mια ασυνήθιστη γεωμετρία
Το καπέλο Smith τράβηξε για πρώτη φορά την παγκόσμια προσοχή το 2023 επειδή ένα μόνο πλακίδιο μπορούσε να καλύψει μια ολόκληρη επιφάνεια χωρίς ποτέ να δημιουργήσει ένα επαναλαμβανόμενο μοτίβο. Τώρα, η ίδια ασυνήθιστη γεωμετρία έχει προκαλέσει μια άλλη έκπληξη: όταν οι ερευνητές αναδημιούργησαν το μοτίβο σε νανοκλίμακα και το φώτισαν με φως λέιζερ, δημιούργησε οπτική συμπεριφορά διαφορετική από αυτή των συμβατικών ημικρυστάλλων.
Ερευνητές από το Ινστιτούτο Βιομηχανικών Επιστημών του Πανεπιστημίου του Τόκιο και συνεργαζόμενα ιδρύματα δημιούργησαν οπτικές δομές με βάση το καπέλο Smith και διερεύνησαν πώς διαθλούν το φως. Τα ευρήματά τους, που δημοσιεύθηκαν στο Nature Communications, αποκαλύπτουν ότι το μοτίβο μπορεί να παράγει χειρόμορφες οπτικές αποκρίσεις, που σημαίνει ότι τα προκύπτοντα μοτίβα φωτός έχουν μια χειρομορφία που συνδέεται με την έλλειψη συμμετρίας κατόπτρου της δομής.
Η μαθηματική βάση προέρχεται από το μακροχρόνιο πρόβλημα του Αϊνστάιν, το οποίο ρωτά εάν ένα μόνο σχήμα πλακιδίου, ή «μονοτίλιο», μπορεί να καλύψει μια επιφάνεια σε μια μη επαναλαμβανόμενη διάταξη. Γνωστά περιοδικά μοτίβα όπως οι κηρήθρες και οι σκακιέρες επαναλαμβάνονται τακτικά. Ένα απεριοδικό μονότιλο, αντίθετα, μπορεί να πλακιδώσει όλο τον χώρο χωρίς να καταλήγει σε ένα επαναλαμβανόμενο μοτίβο.
Το καπέλο Smith παρείχε την πρώτη λύση σε αυτό το πρόβλημα το 2023. Αλλά η επίλυση του μαθηματικού παζλ άφησε ένα άλλο ερώτημα ανοιχτό: Ποιες φυσικές ιδιότητες θα μπορούσαν να προκύψουν από μια τόσο ασυνήθιστη διάταξη;
«Αυτό που είναι ιδιαίτερα συναρπαστικό με το πλακίδιο καπέλου είναι ότι, αν και το προκύπτον μοτίβο φαίνεται ακανόνιστο με την πρώτη ματιά, στην πραγματικότητα κατασκευάζεται από το πλέγμα κηρήθρας», λέει ο επικεφαλής συγγραφέας Yuto Moritake. «Θέλαμε να δούμε αν αυτό το μοναδικό σχήμα θα μπορούσε επίσης να παράγει τυχόν απροσδόκητα φυσικά φαινόμενα».
Το καπέλο Smith δημιούργησε χειρόμορφα μοτίβα φωτός
Για να δοκιμάσουν αυτή την πιθανότητα, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν λιθογραφία δέσμης ηλεκτρονίων για να κατασκευάσουν νανοκλίμακα μοτίβα καπέλου Smith σε μεμβράνες νιτριδίου του πυριτίου. Στη συνέχεια, φώτισαν τις δομές με φως λέιζερ και εξέτασαν την προκύπτουσα περίθλαση, τα μοτίβα που παράγονται καθώς το φως αλληλεπιδρά με το υλικό.
Αντί για τη συμπεριφορά που συνήθως σχετίζεται με τους συμβατικούς ημικρυστάλλους, οι δομές παρήγαγαν διακριτικά μοτίβα περίθλασης τύπου pinwheel. Αυτά τα μοτίβα αντανακλούσαν άμεσα τον χειρόμορφο χαρακτήρα της απεριοδικής διάταξης.
Απεικόνιση Οπτικής Συμπεριφοράς Απεριοδικού Προτύπου
Ερευνητές από το Ινστιτούτο Βιομηχανικών Επιστημών του Πανεπιστημίου του Τόκιο επιδεικνύουν πειραματικά μοναδική οπτική συμπεριφορά από ένα απεριοδικό πρότυπο που αναζητούνταν εδώ και καιρό. Πίστωση: Ινστιτούτο Βιομηχανικών Επιστημών του Πανεπιστημίου του Τόκιο
«Διαπιστώσαμε ότι τα ίδια τα πρότυπα περίθλασης γίνονται χειρόμορφα επειδή η δομή δεν έχει συμμετρία κατόπτρου», εξηγεί ο επικεφαλής συγγραφέας Masaya Notomi. «Αυτό το είδος οπτικής απόκρισης είναι θεμελιωδώς διαφορετικό από αυτό που παρατηρείται στα συμβατικά ημικρυσταλλικά υλικά».
Η απόκριση του φωτός εξαρτιόταν από τη συμμετρία
Το οπτικό φαινόμενο δεν ήταν σταθερό. Η αλλαγή της κατεύθυνσης ή της πόλωσης του εισερχόμενου φωτός άλλαξε επίσης το πρότυπο περίθλασης. Οι ερευνητές βρήκαν μια πρόσθετη σύνδεση μεταξύ της γεωμετρίας της δομής και της οπτικής της απόκρισης. Όταν δημιούργησαν εικόνες κατόπτρου πραγματικού χώρου των δομών, η προκύπτουσα οπτική συμπεριφορά αντιστράφηκε ανάλογα, αποκαλύπτοντας μια νέα μορφή ελεγχόμενης από συμμετρία απόκρισης.
«Αυτά τα αποτελέσματα ανοίγουν μια νέα κατεύθυνση έρευνας σχετικά με τη σύντηξη της ημιπεριοδικής τάξης και της χειραλικότητας», σχολιάζει ο Moritake. «Τα μονοτιλικά πρότυπα παρέχουν μια πλατφόρμα για την εξερεύνηση οπτικών φαινομένων που προκύπτουν από την αλληλεπίδραση συμμετρίας, χειραλικότητας και απεριοδικότητας».
Η αφηρημένη γεωμετρία θα μπορούσε να διαμορφώσει οπτικές συσκευές
Οι ερευνητές ελπίζουν ότι οι δομές που εμπνέονται από τα μονοτιλία θα μπορούσαν τελικά να συμβάλουν σε τεχνολογίες για τον χειρισμό του φωτός, τον έλεγχο της πόλωσης και την ανάπτυξη προηγμένων οπτικών συσκευών.
Σε γενικές γραμμές, τα ευρήματα δείχνουν πώς ένα μαθηματικό σχήμα που αρχικά γιορταζόταν για την επίλυση ενός αφηρημένου προβλήματος πλακιδίων μπορεί επίσης να παράγει φυσική συμπεριφορά που δεν είχε παρατηρηθεί σε συμβατικά ημικρυσταλλικά υλικά.
www.worldenergynews.gr
