O echipă de cercetători japonezi a realizat un cristal fotonic pornind de la o formă geometrică neobișnuită cu 13 laturi, cunoscută sub numele de țiglă einstein, și a observat un comportament optic cu totul neașteptat. Această nanostructură nu se bazează pe rețelele periodice tradiționale, ci urmează un tipar ordonat care nu se repetă niciodată. În momentul în care a fost iluminată cu un laser, cristalul a împrăștiat lumina într-un model spectaculos, asemănător unei roți stelare în rotație.

Experimentul fizicienilor de la Universitatea din Tokyo a scos la iveală faptul că această structură specială este sensibilă la polarizarea circulară a luminii, adică la direcția de rotație a undelor luminoase. Datorită proprietății chirale asimetrice a țiglei, cristalul a răspuns diferit la lumina care se rotea în sensul acelor de ceasornic față de cea care se rotea în sens invers. Un astfel de fenomen ar fi de neconceput în cazul cristalelor obișnuite cu structuri repetitive sau chiar al cvasicristalelor convenționale.

Descoperirea nu este doar o simplă curiozitate teoretică, ci ar putea schimba fundamental posibilitățile de control al luminii în tehnologiile viitorului. Cercetătorii au gravat sute de mii de găuri minuscule într-un cip realizat dintr-o peliculă subțire de nitrură de siliciu, dând naștere astfel cristalului fotonic. Rezultatul a fost un model de împrăștiere a luminii care rămânea stabil indiferent de punctul de pe cip atins de laser, ceea ce a demonstrat ordinea pe distanță lungă a structurii.

De la coșmarul matematic la noua speranță a științei

Așa-numita problemă einstein i-a preocupat pe matematicieni decenii întregi: există oare o singură formă capabilă să acopere o suprafață plană la infinit, fără ca tiparul să se repete vreodată? Denumirea nu face referire la ilustrul fizician, ci provine dintr-un joc de cuvinte german, „ein stein”, care înseamnă „o piatră”. Cheia misterului a rămas mult timp ascunsă, deși în anii ’70 Roger Penrose demonstrase deja că o astfel de acoperire neperiodică este posibilă prin combinarea a două forme distincte.

Progresul decisiv a venit abia în 2023, când David Smith și colaboratorii săi au descoperit în sfârșit forma mult căutată: un poligon cu 13 laturi, botezat cu umor „pălăria Smith”. Această țiglă a revoluționat modul de gândire despre ordonarea spațiului, rezolvând cu un singur element o provocare care anterior necesita minimum două. Descoperirea nu a rămas cantonată în cercul restrâns al matematicienilor, ci i-a inspirat rapid pe specialiștii din alte domenii științifice.

Yuto Moritake, fizician experimental la Universitatea din Tokyo, a citit pentru prima dată despre această formă în 2024, într-o carte de popularizare a științei. Întrucât domeniul său de expertiză îl reprezintă cristalele fotonice – acele nanostructuri care ghidează lumina prin intermediul unor tipare repetitive –, l-a intrigat imediat ideea de a înlocui rețelele periodice convenționale cu acest aranjament aparent haotic și totuși ordonat, pentru a crea un cip optic revoluționar.

Dansul luminii în labirintul nanostructurilor

Echipa de cercetare a folosit tehnici de fabricație de o precizie extremă, precum litografia cu fascicul de electroni și procese avansate de gravură, pentru a transfera tiparul. Sute de mii de găuri, fiecare cu o rază de doar 100 de nanometri – de aproximativ cinci sute de ori mai subțire decât firul de păr uman –, au fost perforate într-un cip de nitrură de siliciu lat de jumătate de milimetru, respectând cu strictețe geometria pălăriei Smith. Rezultatul final a fost un cristal fotonic guvernat de un echilibru unic între ordine și dezordine aparentă.

În momentul iluminării cu laser, lumina împrăștiată a desenat un complicat foc de artificii rotitor, amintind de o roată stelară. Moritake a imortalizat mai întâi spectacolul colorat cu ajutorul modului de expunere lungă al telefonului său inteligent, după care cercetătorii au realizat măsurători optice precise cu ajutorul unor camere speciale. În tiparul observat au apărut puncte luminoase bine definite, numite vârfuri Bragg, a căror poziție rămânea neschimbată oriunde era deplasat laserul pe suprafața cipului.

Această stabilitate a demonstrat fără echivoc că structura nu este una aleatorie, ci reprezintă echivalentul optic al unui cvasicristal. Cea mai mare surpriză a venit însă din natura chirală a țiglei, lipsită de simetrie în oglindă. Lumina polarizată circular în direcții opuse a fost împrăștiată în mod diferit, dezvăluind o proprietate optică complet nouă, generată de asimetrie. Această descoperire deschide calea către calculatoarele fotonice și dispozitivele de comunicații optice de generație următoare, unde capacitatea de a controla spinul luminii va fi esențială.

Sursa: LiveScience.com