Physiker entdecken unerwartete optische Phänomene an Nanostrukturen der „Einstein“-Kachel

Ein Team der Universität Tokio und kooperierender Institute hat Nanostrukturen aus dieser Hat-Kachel hergestellt und dabei ein bislang unbekanntes optisches Phänomen beobachtet: eine chirale Beugung .

Die Entdeckung: Windradförmige Lichtmuster

Trifft Laserlicht auf die Nanostrukturen, erzeugt die Beugung ein charakteristisches windradförmiges Muster, das eine eindeutige „Händigkeit“ (Chiralität) des optischen Verhaltens zeigt . Dieser Effekt unterscheidet sich grundlegend von der Beugung an gewöhnlichen periodischen Kristallen oder sogar an Quasikristallen. Die Chiralität ist dabei keine Eigenschaft der Kachel an sich – sie ist nämlich achiral –, sondern entsteht durch die gebrochene Spiegelsymmetrie der aperiodischen Anordnung .

„Wir wollten wissen, ob diese einzigartige Form unerwartete physikalische Phänomene hervorbringen kann“, erklärte ein Forscher . Die Antwort war ein klares Ja: Die Beugungsmuster ändern sich mit der Richtung und Polarisation des einfallenden Lichts, sodass die Chiralität der Struktur direkt im gestreuten Licht ablesbar ist .

Wie es hergestellt wurde: Nanofabrikation

Die optischen Strukturen wurden auf Siliziumnitrid-Filmen mittels Elektronenstrahllithografie gefertigt . Auf diese Weise ließ sich das komplexe, nicht periodische Hat-Kachel-Muster im Nanomaßstab exakt abbilden. Das Experiment bestätigte damit theoretische Vorhersagen aus früheren Studien, die bereits auf besondere elektronische und optische Eigenschaften der Hat-Monokachel hingewiesen hatten .

Unerwartete Ursprünge: Vom Mathe-Problem zur Physik

Die „Hat“-Kachel war ursprünglich die Lösung des sogenannten Einstein-Problems: Gibt es eine einzelne Form, die die Ebene nur aperiodisch pflastern kann, ohne jemals eine periodische Anordnung zu bilden? . Smiths Entdeckung – gemeinsam mit den Mathematikern Craig Kaplan, Chaim Goodman-Strauss und Joseph Myers – wurde 2023 veröffentlicht und als großer mathematischer Durchbruch gefeiert .

Physiker erkannten schnell, dass die Kachel auch praktische Bedeutung haben könnte. Theoretische Arbeiten aus dem Jahr 2023 von Schirmann, Franca, Flicker und Grushin sagten voraus, dass ein Tight-Binding-Modell auf der Hat-Monokachel „graphenartige Merkmale, Chiralität und Nullmoden“ aufweisen würde . Die Spektralfunktion zeigte sechsfache Symmetrie und diracartige Züge wie in Graphen – mit einem entscheidenden Unterschied: Die Monokachel-Spektralfunktion war chiral, also unterschiedlich für die beiden Enantiomere . Die neue experimentelle Arbeit aus Tokio setzt diese theoretischen Vorhersagen nun in die Realität um.

Implikationen: Eine neue Plattform für die Optik

Die Entdeckung hat mehrere vielversprechende Perspektiven für die Optik :

• Polarisations- und Drehimpulskontrolle: Die chirale Beugung bietet eine neuartige Möglichkeit, den Drehimpuls und die Polarisation von Licht mit einer einzigen, flachen und aperiodischen Nanostruktur zu steuern .
• Symmetriegesteuerte Bauteile: Da gespiegelte Strukturen ein umgekehrtes optisches Verhalten zeigen, ermöglicht die Plattform eine Form der symmetriegesteuerten optischen Antwort, die sich für Filter und Sensoren nutzen lässt .
• Neue Klasse von Metaoptiken: Mit Monokacheln gemusterte Metasurfaces könnten zu kompakten optischen Komponenten für nichtlineare Optik, chirale Sensorik und integrierte photonische Schaltkreise führen, die das Zusammenspiel von quasiperiodischer Ordnung und Chiralität ausnutzen .
• Plattform für fundamentale Physik: Die Forscher beschreiben Monokachel-Muster als „eine Plattform zur Erforschung optischer Phänomene, die aus dem Zusammenspiel von Symmetrie, Chiralität und Aperiodizität entstehen“ .

Aktueller Stand und nächste Schritte

Die im Juli 2026 in Nature Communications veröffentlichte Arbeit ist zunächst ein Machbarkeitsnachweis . Praktische Anwendungen gibt es noch nicht. Dennoch entwickelt sich das Feld rasant. Weitere aktuelle Studien untersuchen bereits kritische Zustände und Wellentransport in aperiodischen Polariton-Monokacheln sowie Quantenfehlerkorrekturcodes auf Basis aperiodischer Monokacheln – ein Zeichen dafür, dass der Einfluss der Hat-Kachel weit über ihren mathematischen Ursprung hinausreicht.

Die an diesen Nanostrukturen beobachtete Chiralität reiht sich ein in eine breitere Erforschung chiraler Licht-Materie-Wechselwirkungen, zu der auch die dynamische Steuerung optischer Chiralität mittels verdrehter zweischichtiger photonischer Kristalle und der chirale Smith-Purcell-Effekt gehören. Die Einfachheit der Monokachel-Plattform – eine einzige, nie sich wiederholende Form – macht sie für die weitere Forschung besonders attraktiv.

„Optische Strukturen auf Basis der Smith-Hat-Monokachel erzeugten windradartige Beugungsmuster, die direkt die Chiralität offenbarten“, fasst ein Bericht zusammen. „Die optische Antwort unterschied sich grundlegend von der herkömmlicher Quasikristalle“ .