“爱因斯坦瓷砖”的纳米级新玩法：科学家发现意想不到的手性光衍射

发现：风车状的光图案

当激光照射到纳米级的帽子图案上时，产生的衍射形成了一种独特的风车状图案，揭示了光响应中固有的“手性”（即左旋或右旋特性）。这与传统周期性晶体甚至准晶体中观察到的衍射现象有着本质区别。值得注意的是，这种手性并非帽子瓷砖本身的属性（瓷砖本身是非手性的），而是源于非周期铺排打破镜面对称性后涌现出来的整体效应。

研究人员表示：“我们想看看这种独特的形状是否也会产生意想不到的物理现象。”答案显然是肯定的：衍射图案会随着入射光的方向和偏振状态而变化，使得结构的整体手性可以直接通过散射光被读取。

如何制造：纳米加工技术

研究团队利用电子束光刻技术，在氮化硅薄膜上构建了这些光学结构。这使得他们能够在纳米尺度上精确地绘制出这种复杂且不重复的帽子瓷砖阵列。该实验验证了早期理论研究中的预测，这些理论曾指出帽子单瓷砖可能具有独特的电子和光学特性。

意想不到的起源：从数学到物理

“帽子”瓷砖最初是作为“爱因斯坦问题”（einstein problem，源于德语“ein Stein”，意为“一块石头”）的一个解而出现的。该问题探究是否存在一个单独的形状，它只能以非周期的方式铺满平面，而永远无法形成周期性排列。史密斯与数学家克雷格·卡普兰、柴姆·古德曼-斯特劳斯和约瑟夫·迈尔斯合作发现的这一成果于2023年发表，并迅速被公认为一项重大的数学突破。

物理学家们很快意识到，这种瓷砖可能具有现实世界的应用价值。早在2023年，由Schirmann、Franca、Flicker和Grushin进行的理论工作就预测，在帽子单瓷砖上建立的紧束缚模型将表现出“类石墨烯的特征、手性和零能模式”。其谱函数显示出与石墨烯相似的六重对称性和狄拉克锥特征，但关键区别在于：单瓷砖的谱函数是手性的，对于其两种对映体（左右镜像）表现出不同的响应。如今，东京大学的实验工作将这些理论预测变成了现实。

影响：光学技术的新平台

这一发现对光学技术具有多个有前景的启示：

• 偏振与角动量控制：手性衍射提供了一种利用单一、平面的非周期纳米结构来控制光的角动量和偏振态的新方法。
• 对称性控制器件：由于镜像结构会产生相反的光学行为，该平台可实现一种适用于滤波和传感的对称性控制光学响应。
• 新型超表面光学元件：采用单瓷砖图案的超表面有望催生紧凑型光学组件，应用于非线性光学、手性传感以及利用准周期有序与手性相互作用的集成光子电路。
• 基础物理学平台：研究人员将单瓷砖图案描述为“一个探索对称性、手性和非周期性相互作用所涌现出的光学现象的平台”。

当前状态与下一步

这项研究成果以概念验证的形式发表在2026年7月29日的《自然·通讯》上。目前尚未开发出实用化的器件。然而，该领域发展迅速。其他近期论文已探索了非周期极化激元单瓷砖中的临界态和波输运，以及源自非周期单瓷砖的量子纠错码，这表明“帽子”瓷砖的影响力正远超出其最初的数学范畴。

纳米帽子阵列中发现的这种手性，与更广泛的手性光-物质相互作用研究相呼应，包括利用扭曲双层光子晶体动态控制光学手性以及固有手性史密斯-珀塞尔效应。单瓷砖平台的简单性——一个单一的、重复（尽管永远不产生周期性）的形状——使其特别适合进一步研究。

正如一份报道总结的那样：“基于史密斯帽子单瓷砖的光学结构产生了直接揭示手性的风车状衍射图案。其光学响应与传统的准晶体有着根本不同”。