东京大学生产技术研究所的森竹勇斗副教授、东京科学大学理学院的纳富雅也教授（兼任NTT物性科学基础研究所研究员）等人组成的研究团队，基于仅能以非周期方式铺砌的非周期单铺砌砖制备出对应结构，并通过实验揭示了反映其特殊对称性的光衍射现象。相关研究成果已发表在期刊《Nature Communications》上。
图1 含单铺砌砖准格子的人工结构与实测光衍射图样（供图：东京大学）
左：单铺砌砖结构构成的非周期铺砌
右：白色激光入射时观测到的手性光衍射图样
“是否存在仅用一种砌砖且以非周期方式完成铺砌呢？”这一数学问题被称为“爱因斯坦问题（Einstein Problem）”，长期以来悬而未决。2023年，研究人员发现了“帽形单铺砌砖”的解答，在数学界引发巨大震动。但在此之前，尚无研究通过实验揭示这种特殊非周期铺砌所引发的物理现象。
研究团队在帽形单铺砌砖的铺砌结构中，在每个砌砖的重心位置设点，设计出具有三重旋转对称性，却不具备镜像对称性的单铺砌砖准格子。此外，为通过实验探究该非周期结构的特性，团队利用NTT最先进的微加工技术，成功制备出由人工纳米结构构成的大面积非周期阵列。在制备过程中，研究人员在350纳米厚的氮化硅薄膜上，采用用于最先进半导体集成电路制造的电子束光刻与干法刻蚀微加工技术，精密制备出半径100纳米的圆孔阵列。测量时，研究人员向该结构照射激光，观测其衍射图样。
实验观测到多道清晰的布拉格峰，并进一步证实即便改变照射位置，峰位也几乎不发生改变。这一结果可作为实验证据，表明所制备的单铺砌砖准格子虽不具备周期性，却拥有类准晶的长程有序性。此外，观测到的衍射图样呈现出不具备镜像对称性的风车状形态，在反转的单铺砌砖结构中，其方向也会随之反转。这一结果意味着，单铺砌砖结构的手性对称性会直接以光衍射图样的形式在波数空间中呈现。
研究团队进一步测定了左旋圆偏振光与右旋圆偏振光入射时的衍射强度差异，发现衍射峰的强度分布依赖于圆偏振光的螺旋度，且在镜像结构中二者的强度分布会发生互换。这种依赖圆偏振的衍射响应，在具有反演对称性或镜像对称性的传统型准周期结构中很难出现，是源于单铺砌砖准格子手性对称性的新型光学现象。
该研究结果表明，非周期单铺砌砖并非仅停留在数学结构层面，使用纳米结构即可作为可开展实验研究的物理系统，产生新型光学响应。特别是将手性准周期有序性用作设计原理，有望助力开拓基于人工非周期结构的新型光学功能。
森竹副教授评论道：“启动这项研究的契机，是我在阅读了《彭罗斯几何学》（荒木义明、谷冈一郎著）后，对非周期单铺砌砖这一数学界的发现产生了兴趣。随着研究推进，我们发现了诸多出乎意料的有趣现象，整个研究过程充满探索的乐趣。纵观历史，数学领域的发现始终对物理学产生深远影响，能完成这样一项工作我深感欣喜。今后，我们会将这种准周期结构引入超表面与光子晶体研究中，继续探索新型光学应用。”
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Nature Communications
论文：Chiral Diffraction from Aperiodic Monotile Structure
DOI：10.1038/s41467-026-75023-7
