Viên gạch 'Einstein' tạo ra hiệu ứng nhiễu xạ chiral kỳ lạ ở kích thước nano

Một nhóm nghiên cứu từ Đại học Tokyo và các tổ chức đối tác đã chế tạo các mảng nano từ viên gạch hat và quan sát thấy một hiện tượng quang học chưa từng được ghi nhận trước đây: nhiễu xạ chiral .

Khám phá: Hoa văn ánh sáng hình cánh quạt

Khi tia laser chiếu vào các mẫu hat ở kích thước nano, hiện tượng nhiễu xạ tạo thành một mô hình hình cánh quạt đặc biệt, bộc lộ một 'tính thuận tay' (chirality) nội tại trong phản ứng quang học . Điều này về cơ bản khác biệt so với nhiễu xạ thấy được trong các tinh thể tuần hoàn thông thường hay thậm chí là các tinh thể chuẩn (quasicrystals). Tính chiral không phải là đặc tính của bản thân viên gạch hat—vốn là achiral—mà nổi lên từ sự phá vỡ đối xứng gương của mô hình lát aperiodic .

'Chúng tôi muốn xem liệu hình dạng độc đáo này có thể tạo ra bất kỳ hiện tượng vật lý bất ngờ nào không,' một nhà nghiên cứu cho biết . Câu trả lời là một 'có' chắc chắn: các mẫu nhiễu xạ thay đổi tùy theo hướng và sự phân cực của ánh sáng tới, khiến tính chiral của cấu trúc có thể đọc trực tiếp được trong ánh sáng tán xạ .

Phương pháp chế tạo: Công nghệ nano

Các nhà nghiên cứu đã tạo ra các cấu trúc quang học của mình trên màng silicon nitride bằng kỹ thuật quang khắc chùm tia điện tử (electron-beam lithography) . Điều này cho phép họ tạo ra các mảng hình học phức tạp, không lặp lại của viên gạch hat ở cấp độ nano. Thí nghiệm đã xác nhận các dự đoán lý thuyết từ các nghiên cứu trước đó, vốn cho rằng monotile hat có thể sở hữu các đặc tính điện tử và quang học độc đáo .

Nguồn gốc bất ngờ: Từ toán học đến vật lý

Viên gạch 'hat' lần đầu tiên xuất hiện như một lời giải cho bài toán einstein: liệu có một hình dạng duy nhất có thể lát mặt phẳng chỉ theo cách aperiodic, không có bất kỳ sự sắp xếp tuần hoàn nào không? . Khám phá của Smith, cùng với các cộng sự Craig Kaplan, Chaim Goodman-Strauss và Joseph Myers, đã được công bố vào năm 2023 và nhanh chóng được công nhận là một bước đột phá toán học lớn .

Các nhà vật lý nhanh chóng nhận ra rằng viên gạch này có thể có ứng dụng trong thực tế. Các công trình lý thuyết ban đầu vào năm 2023 của Schirmann, Franca, Flicker và Grushin đã dự đoán rằng một mô hình liên kết chặt chẽ trên monotile hat sẽ thể hiện 'các đặc điểm giống graphene, tính chiral và các mode không' . Hàm phổ cho thấy tính đối xứng sáu cạnh và các đặc điểm giống Dirac tương tự graphene, nhưng với một điểm khác biệt quan trọng: hàm phổ của monotile có tính chiral, khác nhau giữa hai dạng đối ảnh (enantiomers) của nó . Công trình thực nghiệm mới từ Tokyo đã đưa những dự đoán lý thuyết đó vào cuộc sống.

Ý nghĩa: Một nền tảng mới cho công nghệ quang học

Phát hiện này mang lại một số hàm ý đầy hứa hẹn cho công nghệ quang học :

• Kiểm soát phân cực và mô-men động lượng: Nhiễu xạ chiral cung cấp một cách mới để kiểm soát mô-men động lượng và trạng thái phân cực của ánh sáng chỉ bằng một cấu trúc nano phẳng, aperiodic duy nhất .
• Thiết bị điều khiển bằng đối xứng: Vì các cấu trúc phản chiếu tạo ra hành vi quang học ngược lại, nền tảng này cho phép một dạng phản ứng quang học được điều khiển bằng đối xứng, hữu ích cho việc lọc và cảm biến .
• Một lớp siêu quang học mới: Các siêu bề mặt được tạo mẫu từ monotile có thể dẫn đến các linh kiện quang học nhỏ gọn cho quang học phi tuyến, cảm biến chiral và các mạch quang tử tích hợp, khai thác sự tương tác giữa trật tự gần như tuần hoàn và tính chiral .
• Một nền tảng cho vật lý cơ bản: Các nhà nghiên cứu mô tả các mẫu monotile là 'một nền tảng để khám phá các hiện tượng quang học nổi lên từ sự tương tác của tính đối xứng, tính chiral và tính aperiodic' .

Tình trạng hiện tại và các bước tiếp theo

Công trình này, được công bố trên tạp chí Nature Communications vào ngày 29 tháng 7 năm 2026, là một màn trình diễn chứng minh khái niệm . Các thiết bị thực tế vẫn chưa được phát triển. Tuy nhiên, lĩnh vực này đang tiến triển nhanh chóng. Các bài báo gần đây khác đã khám phá các trạng thái tới hạn và sự vận chuyển sóng trong các monotile polariton aperiodic , cũng như các mã sửa lỗi lượng tử từ các monotile aperiodic , cho thấy ảnh hưởng của viên gạch hat đang mở rộng vượt xa nguồn gốc toán học của nó.

Tính chiral được thấy trong các mảng hat kích thước nano này gia nhập vào một cuộc khám phá rộng lớn hơn về các tương tác chiral giữa ánh sáng và vật chất, bao gồm cả việc kiểm soát động tính quang học chiral bằng cách sử dụng tinh thể quang tử hai lớp xoắn và hiệu ứng Smith-Purcell chiral nội tại . Sự đơn giản của nền tảng monotile—một hình dạng duy nhất lặp đi lặp lại (mặc dù không bao giờ lặp lại)—làm cho nó trở nên đặc biệt hấp dẫn cho các nghiên cứu sâu hơn.

'Các cấu trúc quang học dựa trên monotile Smith hat tạo ra các mẫu nhiễu xạ hình cánh quạt trực tiếp bộc lộ tính chiral,' một báo cáo tóm tắt. 'Phản ứng quang học về cơ bản khác với các tinh thể chuẩn thông thường' .