تطور جديد في مشكلة أينشتاين يكشف عن فيزياء غير متوقعة

أنتجت الهياكل البصرية المبنية على قبعة سميث أنماطًا ضوئية غير عادية تعكس افتقارها إلى تماثل المرآة وتغيرت مع اتجاه الضوء والاستقطاب.

جذبت قبعة سميث الاهتمام العالمي لأول مرة في عام 2023 لأن قطعة بلاط واحدة يمكن أن تغطي سطحًا كاملاً دون إنشاء نمط متكرر على الإطلاق. الآن، أنتجت نفس الهندسة غير العادية مفاجأة أخرى: عندما أعاد الباحثون إنشاء النموذج على المقياس النانوي وأضاءوه بضوء الليزر، ولّدوا سلوكًا بصريًا يختلف عن سلوك أشباه البلورات التقليدية.

قام باحثون من معهد العلوم الصناعية بجامعة طوكيو والمؤسسات المتعاونة ببناء هياكل بصرية تعتمد على قبعة سميث وقاموا بالتحقيق في كيفية حيود الضوء. النتائج التي توصلوا إليها، نشرت في اتصالات الطبيعةيكشف الباحثون أن النموذج يمكن أن ينتج استجابات بصرية مرآوية، مما يعني أن أنماط الضوء الناتجة لها استخدام إحدى اليدين مرتبطًا بافتقار البنية إلى تناظر المرآة.

يأتي الأساس الرياضي من مسألة أينشتاين طويلة الأمد، والتي تتساءل عما إذا كان شكل بلاطة واحدة، أو “أحادية”، يمكن أن يغطي سطحًا بترتيب غير متكرر. تتكرر الأنماط الدورية المألوفة مثل أقراص العسل ولوحات الشطرنج بانتظام. على النقيض من ذلك، يمكن للخلية الأحادية غير الدورية أن تبلط كل المساحة دون أن تستقر في نمط متكرر.

قدمت قبعة سميث الحل الأول لهذه المشكلة في عام 2023. لكن حل اللغز الرياضي ترك سؤالا آخر مفتوحا: ما هي الخصائص الفيزيائية التي قد تنشأ من مثل هذا الترتيب غير العادي؟

يقول المؤلف الرئيسي يوتو موريتاكي: “الأمر المذهل بشكل خاص في بلاط القبعة هو أنه على الرغم من أن النمط الناتج يبدو غير منتظم للوهلة الأولى، إلا أنه في الواقع مصنوع من شبكة قرص العسل”. “أردنا أن نرى ما إذا كان هذا الشكل الفريد يمكن أن ينتج أيضًا أي ظواهر فيزيائية غير متوقعة.”

خلقت قبعة سميث أنماطًا ضوئية مراوانية

ولاختبار هذا الاحتمال، استخدم الباحثون الطباعة الحجرية ذات الشعاع الإلكتروني لتصنيع أنماط قبعة سميث النانوية على أفلام نيتريد السيليكون. ثم قاموا بإضاءة الهياكل بضوء الليزر وفحصوا الحيود الناتج، والأنماط الناتجة عن تفاعل الضوء مع المادة.

وبدلاً من السلوك المرتبط عادةً بأشباه البلورات التقليدية، أنتجت الهياكل أنماط حيود مميزة تشبه دولاب الهواء. تعكس هذه الأنماط بشكل مباشر الطابع اللولبي للترتيب غير الدوري.

يوضح المؤلف الرئيسي ماسايا نوتومي: “لقد وجدنا أن أنماط الحيود نفسها تصبح مرآوية لأن البنية تفتقر إلى تناظر المرآة”. “هذا النوع من الاستجابة البصرية يختلف بشكل أساسي عن تلك التي لوحظت في المواد شبه البلورية التقليدية.”

استجابة الضوء تعتمد على التماثل

لم يتم إصلاح التأثير البصري. يؤدي تغيير اتجاه أو استقطاب الضوء الوارد أيضًا إلى تغيير نمط الحيود.

ووجد الباحثون صلة إضافية بين هندسة الهيكل واستجابته البصرية. عندما قاموا بإنشاء صور مرآة فضائية حقيقية للهياكل، انعكس السلوك البصري الناتج وفقًا لذلك، وكشف عن شكل جديد من الاستجابة التي يتم التحكم فيها بالتناظر.

يقول موريتاكي: “تفتح هذه النتائج اتجاهًا جديدًا للبحث حول اندماج النظام شبه الدوري واللامركزية”. “توفر الأنماط الأحادية منصة لاستكشاف الظواهر البصرية التي تنشأ من التفاعل بين التناظر، واللامركزية، واللادورية.”

الهندسة المجردة يمكن أن تشكل الأجهزة البصرية

ويأمل الباحثون أن تساهم الهياكل المستوحاة من المونوتيلات في نهاية المطاف في تقنيات معالجة الضوء والتحكم في الاستقطاب وتطوير الأجهزة البصرية المتقدمة.

وعلى نطاق أوسع، تُظهر النتائج كيف يمكن للشكل الرياضي الذي تم الاحتفال به في الأصل لحل مشكلة التبليط المجردة أن ينتج أيضًا سلوكًا فيزيائيًا لم تتم ملاحظته في المواد شبه البلورية التقليدية.

المرجع: “الحيود اللولبي من البنية الأحادية غير الدورية” بقلم يوتو موريتاكي وماساتو تاكيجوتشي وتاكوما أيهارا وماسايا نوتومي، 29 يوليو 2026، اتصالات الطبيعة.
دوى: 10.1038/s41467-026-75023-7

تم دعم هذا العمل من قبل الجمعية اليابانية لتعزيز العلوم (JSPS) KAKENHI (رقم JP20H05641، JP21K14551، JP24K01377، JP24H02232، وJP24H00400).

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.