Fisikawan Ciptakan Pola Cahaya Kiral yang Tak Terduga dari Ubin Topi ‘Einstein’

Sebuah tim dari Universitas Tokyo dan institusi mitra telah membuat susunan nano dari ubin topi dan mengamati fenomena optik yang belum pernah terlihat sebelumnya: difraksi kiral .

Penemuan: Pola Cahaya Berbentuk Kincir Angin

Ketika sinar laser mengenai pola topi nano, difraksi yang dihasilkan membentuk pola kincir angin yang khas, mengungkapkan 'kidalitas' (kiralitas) intrinsik dalam respons optik . Ini pada dasarnya berbeda dari difraksi yang terlihat pada kristal periodik konvensional atau bahkan kuasikristal. Kiralitas ini bukanlah sifat dari ubin topi itu sendiri—yang sebenarnya akiral—tetapi muncul dari simetri cermin yang rusak pada susunan aperiodik .

'Kami ingin melihat apakah bentuk unik ini juga dapat menghasilkan fenomena fisik yang tidak terduga,' catat seorang peneliti . Jawabannya adalah ya: pola difraksi berubah tergantung pada arah dan polarisasi cahaya yang masuk, membuat kiralitas struktur tersebut dapat langsung dibaca dari cahaya yang dihamburkan .

Cara Pembuatannya: Nanofabrikasi

Para peneliti membuat struktur optik mereka pada film silikon nitrida menggunakan litografi berkas elektron . Ini memungkinkan mereka untuk membentuk susunan ubin topi yang kompleks dan tidak berulang pada skala nano. Eksperimen tersebut mengonfirmasi prediksi teoretis dari studi sebelumnya yang menyiratkan bahwa monotile topi dapat memiliki sifat elektronik dan optik yang unik .

Asal Usul yang Tak Terduga: Dari Matematika ke Fisika

Ubin 'topi' pertama kali muncul sebagai solusi untuk masalah einstein: apakah ada satu bentuk yang dapat menutupi bidang hanya secara aperiodik, tanpa susunan periodik? . Penemuan oleh Smith, bersama kolaborator Craig Kaplan, Chaim Goodman-Strauss, dan Joseph Myers, diterbitkan pada tahun 2023 dan dengan cepat diakui sebagai terobosan matematika besar .

Fisikawan segera menyadari bahwa ubin ini mungkin memiliki aplikasi dunia nyata. Pekerjaan teoretis awal pada tahun 2023 oleh Schirmann, Franca, Flicker, dan Grushin meramalkan bahwa model ikatan kuat pada monotile topi akan menampilkan 'fitur mirip graphene, kiralitas, dan mode-nol' . Fungsi spektral menunjukkan simetri enam kali lipat dan fitur mirip Dirac yang mirip dengan graphene, tetapi dengan perbedaan penting: fungsi spektral monotile bersifat kiral, berbeda untuk dua enantiomernya . Karya eksperimental baru dari Tokyo ini menghidupkan prediksi teoretis tersebut.

Implikasi: Platform Baru untuk Teknologi Optik

Temuan ini memiliki beberapa implikasi menjanjikan untuk teknologi optik :

• Kontrol polarisasi dan momentum sudut: Difraksi kiral menawarkan cara baru untuk mengontrol momentum sudut dan keadaan polarisasi cahaya menggunakan satu nanostruktur planar aperiodik .
• Perangkat yang dikontrol simetri: Karena struktur yang dicerminkan menghasilkan perilaku optik yang terbalik, platform ini memungkinkan bentuk respons optik yang dikontrol simetri yang berguna untuk pemfilteran dan penginderaan .
• Kelas baru meta-optik: Permukaan meta bermotif monotile dapat menghasilkan komponen optik kompak untuk optik nonlinier, penginderaan kiral, dan sirkuit fotonik terintegrasi yang mengeksploitasi interaksi keteraturan kuasiperiodik dan kiralitas .
• Platform untuk fisika fundamental: Para peneliti menggambarkan pola monotile sebagai 'platform untuk mengeksplorasi fenomena optik yang muncul dari interaksi simetri, kiralitas, dan aperiodisitas' .

Status Saat Ini dan Langkah Selanjutnya

Karya ini, diterbitkan di Nature Communications pada 29 Juli 2026, adalah demonstrasi proof-of-concept . Perangkat praktis belum dikembangkan. Namun, bidang ini bergerak cepat. Makalah terbaru lainnya telah mengeksplorasi keadaan kritis dan transportasi gelombang dalam monotile polariton aperiodik , serta kode koreksi kesalahan kuantum dari monotile aperiodik , menunjukkan bahwa pengaruh ubin topi meluas jauh melampaui asal-usul matematikanya.

Kiralitas yang terlihat dalam susunan topi nano ini bergabung dengan eksplorasi yang lebih luas dari interaksi cahaya-materi kiral, termasuk kontrol dinamis kiralitas optik menggunakan kristal fotonik bilayer yang dipelintir dan efek Smith-Purcell kiral yang melekat . Kesederhanaan platform monotile—satu bentuk yang berulang (meskipun tidak pernah berulang)—membuatnya sangat menarik untuk studi lebih lanjut.

'Struktur optik berdasarkan monotile Smith hat menghasilkan pola difraksi berbentuk kincir angin yang secara langsung mengungkapkan kiralitas,' rangkum sebuah laporan. 'Respons optik pada dasarnya berbeda dari kuasikristal konvensional' .