Физици са изградили кристал от плочки "айнщайн" - фигура, която математиците са търсили години наред – и са открили, че тя пречупва светлината по начин, по който никой обикновен кристал не може.
В новото проучване, публикувано наскоро в списанието Nature Communications, изследователите са подредили тази форма на плочка в никога неповтарящ се модел от наноразмерни дупки. Тази структура, известна като фотонен кристал, е проектирана да контролира начина, по който светлината се движи през нея. Когато екипът насочва лазер към нея, кристалът създава вихрушка, въртяща се, с форма на въртележка, разсейваща картина, която реагира различно в зависимост от посоката на въртене на входящата светлина.
Плочката решава това, което математиците наричат "задачата на айнщайн" – десетилетна загадка, в която се пита дали една-единствена фигура може да покрива безкрайно равна повърхност, без никога да повтаря шарката си. (Името е игра на думи с "ein stein", немски за "един камък", а не препратка към Алберт Айнщайн ).
През 70-те години на миналия век математикът Роджър Пенроуз показа, че две различни форми, използвани заедно като плочки, могат да покрият повърхност, без шарката да се повтаря. Такива мозайки се наричат непериодични. След това, през 2023 г., Дейвид Смит и сътрудниците му най-накрая откриват една: 13-ъгълна форма, която наричат "шапката на Смит ".
Юто Моритаке (Yuto Moritake), експериментален физик в Токийския университет, за първи път се натъква на "шапката" в научнопопулярна статия през 2024 г. Моритаке е специализиран във фотонни кристали - материали с повтарящи се структури (често много по-тънки от човешки косъм), които огъват и насочват светлината за приложения като лазери и оптични сензори. Почти всички фотонни кристали разчитат на модели, които се повтарят в правилна мрежа. Моритаке се пита какво би станало, ако замени това повторение с никога неповтарящата се шарка.
"Реших да го включа в нашата фотонно-кристална структура", разказва Моритаке пред Live Science, описвайки го като отправна точка за проекта.
За да изградят структурата, Моритаке и колегите му са използвали две прецизни производствени техники, наречени електроннолъчева литография и ецване, за да пробият стотици хиляди малки дупки – всяка с радиус само 100 нанометра, или приблизително 500 пъти по-тънка от човешки косъм – в тънък филм от силициев нитрид. Този керамичен материал се използва често в компютърните чипове. Дупките са били подредени според модела на "шапката на Смит", покривайки чип с диаметър приблизително половин милиметър – приблизително колкото ширината на върха на молив.
Когато екипът насочил лазер към готовия чип, светлината се разпръснала или дифракционирала в шарка с форма на въртележка, която се появила на екрана. Моритаке първо фотографирал цветната шарка, използвайки режима за дълга експозиция на своя iPhone. Настройката уловила слаба светлина в продължение на няколко секунди. След това той преминал към специализирани камери за по-прецизни измервания.
Моделът се състои от добре дефинирани ярки петна, наречени пикове на Браг, които остават на едни и същи позиции, независимо къде по чипа попада лазерът. Тази консистентност потвърждава, че структурата притежава дългосрочен, предвидим ред, който се среща в квазикристалите - клас материали, чиито атоми (или в този случай дупки) следват модел, който никога не се повтаря, за разлика от повтарящите се решетки, открити в обикновените кристали като готварска сол или диаманти.
Тъй като самата "шапка" няма огледална симетрия – което означава, че не изглежда по същия начин като собственото си отражение, подобно на това как лявата ръка се различава от дясната – разсейващата картина, която тя създава, също е асиметрична по този начин. Учените наричат това свойство хиралност.
"Живите" молекули могат да бъдат само в ориентация - "лява" или "дясна", т.е. те са хирално чисти. Например, спиралата на една ДНК молекула е винаги дясна, глюкозата, образувана в организма е с дясна форма, а фруктозата - лява. Ето защо, най-важната способност на живите организми е създаването на хирално чисти молекули - именно това определя биохимичната граница между живо и неживо. Тези "хирални" молекули са от съществено значение за биологията. По-интересното е, че те отдавна се срещат в космоса, без да сме знаели. Хиралност е открита в метеорити на Земята и комети в нашата Слънчева система. Кредит: The Chirality Problem.
Тази хиралност е най-голямата изненада на изследването. Светлината може да бъде кръгово поляризирана, което означава, че се върти по посока на часовниковата стрелка или обратно на часовниковата стрелка, докато се движи, подобно на тирбушон. Когато Моритаке тества структурата с двата вида въртяща се светлина, той открива фина разлика в начина, по който всяка посока се разсейва от кристала. Обикновените квазикристали, които имат огледална симетрия, не могат да произведат такъв ефект.
Кръгова поляризация. Кредит: Wikipedia
"Тази структура може да има някаква зависимост от кръгова поляризация", разказва Моритаке, добавяйки, че ефектът – възможен само благодарение на асиметрията на плочката – не е нещо, което първоначално е очаквал да открие.
Сега Моритаке иска да приложи този неповтарящ се модел, за да контролира светлината, пътуваща във фотонен чип, вместо светлината, която просто се отразява от повърхността му. Това би могло да доведе до бъдещи приложения в оптичните комуникации и оптичните изчисления - технологии, които използват светлина вместо електричество за предаване или обработка на информация, обяснява Моритаке.
Справка: Moritake, Y., Takiguchi, M., Aihara, T., & Notomi, M. (2026). Chiral diffraction from aperiodic monotile structure. Nature Communications, 17(1). https://doi.org/10.1038/s41467-026-75023-7
Източник: Crystal made from 13-sided 'einstein' shape bends light in ways nobody imagined
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари
dolivo
Ще спре ли смъртта на момиче китайския възход в генното редактиране
dolivo
Колко бързо става квантовото вплитане? Учени го изследват в атосекунден мащаб
Bai Tanas
Защо бамята е толкова слузеста?
БотоксПутю
В скална формация на Марс е открит органичен въглерод