Ученые из Института промышленной науки Токийского университета создали наноструктуры на основе так называемой шляпы Смита — геометрической фигуры, способной заполнять плоскость без повторяющегося узора. При воздействии лазера такие структуры продемонстрировали необычное поведение света. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.
Шляпа Смита стала известна в 2023 году как первое решение задачи об одной плитке, или монотайле. Эта фигура позволяет покрыть поверхность без периодического повторения, в отличие от привычных клетчатых или сотовых орнаментов. При этом получающийся рисунок основан на сотовой решетке, хотя внешне выглядит нерегулярным.
Для эксперимента специалисты нанесли узоры в форме шляпы Смита на пленки из нитрида кремния с помощью электронной литографии. Затем образцы осветили лазером и изучили дифракцию — картину, возникающую при взаимодействии света с материалом. Вместо типичных для обычных квазикристаллов эффектов исследователи увидели характерные узоры, напоминающие вертушки.
Полученные световые картины оказались хиральными, то есть различались подобно правой и левой руке. Такой эффект связан с отсутствием у структуры зеркальной симметрии. Как отметил старший автор работы Масая Нотоми, дифракционные изображения сами приобретают хиральность из-за особенностей геометрии материала.
Реакция структуры менялась при изменении направления луча и его поляризации. Когда ученые создавали зеркальные копии узоров, оптический отклик также становился обратным. Это показало прямую связь между симметрией наноструктуры и ее взаимодействием со светом.
Авторы считают, что подобные монотайловые структуры могут пригодиться для управления светом и поляризацией, а также при создании новых оптических устройств. Исследование показало, что математическая фигура, созданная для решения абстрактной задачи, способна проявлять физические свойства, нехарактерные для традиционных квазикристаллических материалов.
