Nie chodzi przy tym o słynnego fizyka Alberta Einsteina. Nazwa pochodzi od niemieckiego słowa ein Stein, oznaczającego kamień. Termin odnosi się do pojedynczego elementu, który może wypełnić całą powierzchnię bez pozostawiania pustych przestrzeni, a jednocześnie nigdy nie tworzy regularnie powtarzającego się wzoru. Taki obiekt przez dziesięciolecia pozostawał jednym z najbardziej poszukiwanych rozwiązań w matematyce.
Czytaj też: Fizycy zaobserwowali świetlny stan topologiczny materii. Od dawna szukali na to dowodów
Przełom nastąpił w 2023 roku, gdy matematycy zaprezentowali trzynastokątny kształt nazwany kapeluszem, który spełniał wszystkie wymagania. Odkrycie wywołało ogromne zainteresowanie nie tylko wśród matematyków, ale również fizyków materiałowych, którzy zaczęli zastanawiać się, czy nietypowa geometria może wpływać na właściwości rzeczywistych materiałów.
Teraz naukowcy wykonali kolejny krok. Badacze stworzyli dwuwymiarowe struktury wykorzystujące właśnie taki nieokresowy układ i skierowali na nie wiązkę lasera. Wyniki eksperymentów okazały się zaskakujące. Zamiast klasycznych, symetrycznych wzorów dyfrakcyjnych, charakterystycznych dla zwykłych kryształów, światło utworzyło spiralne i wirujące układy, których nie przewidywały dotychczasowe intuicje dotyczące tego typu materiałów.
Źródłem niezwykłego efektu jest brak klasycznej periodyczności. W tradycyjnych kryształach atomy rozmieszczone są w regularnym, powtarzalnym porządku. W strukturze zbudowanej z einsteina taki porządek nie występuje. Mimo to materiał zachowuje dalekozasięgowe uporządkowanie, dzięki czemu światło nadal ulega uporządkowanemu rozpraszaniu, lecz jego obraz przybiera całkowicie nową formę.
Badacze zauważyli również, że odpowiedź optyczna zależy od kierunku padania wiązki oraz jej polaryzacji. Co więcej, po zastosowaniu lustrzanego odbicia całej struktury pojawiał się odwrócony efekt optyczny. Oznacza to, że materiał wykazuje chiralność, czyli własność związaną z rozróżnieniem “prawej” i “lewej” wersji tej samej struktury. Podobne zjawisko odgrywa ogromną rolę w chemii, biologii i nowoczesnej fotonice, jednak w przypadku takiego nieokresowego wzoru nikt nie spodziewał się jego występowania.
Czytaj też: Eksplozja w Hiroszimie stworzyła materiał, jakiego wcześniej nie znała nauka
Według autorów badań to wystarczający dowód, iż sama geometria materiału może być skutecznym narzędziem do kontrolowania światła. Dotychczas podobne efekty uzyskiwano przede wszystkim dzięki skomplikowanym metamateriałom lub specjalnie projektowanym nanostrukturom. Tymczasem okazuje się, że odpowiednio ułożone elementy o prostym kształcie mogą prowadzić do równie niezwykłych właściwości optycznych. Może to utorować drogę do projektowania nowej generacji elementów fotonicznych. Podobne struktury mogłyby znaleźć zastosowanie w układach sterujących polaryzacją światła, systemach komunikacji optycznej, czujnikach, a także technologiach kwantowych, gdzie precyzyjna kontrola zachowania fotonów ma kluczowe znaczenie.
Źródło: Nature Communications
