قام الفيزيائيون ببناء بلورة من بلاطة “آينشتاين” – وهو شكل بعيد المنال قضى علماء الرياضيات سنوات في البحث عنه – ووجدوا أنه ينحني الضوء بطريقة لا تستطيع أي بلورة عادية القيام بها.
وفي الدراسة الجديدة التي نشرت في 29 يوليو في المجلة اتصالات الطبيعةقام الباحثون بترتيب شكل البلاط الذي لا يتكرر أبدًا في نمط من الثقوب النانوية. تم تصميم هذا الهيكل، المعروف باسم البلورة الضوئية، للتحكم في طريقة تحرك الضوء من خلاله. عندما سلط الفريق الليزر عليها، أنتجت البلورة نمطًا متناثرًا على شكل دولاب الهواء، والذي استجاب بشكل مختلف اعتمادًا على الاتجاه الذي كان الضوء الوارد يدور فيه.
يحل البلاط ما يسميه علماء الرياضيات “مشكلة أينشتاين”، وهو لغز عمره عقود من الزمن يتساءل عما إذا كان يمكن لشكل واحد أن يغطي سطحًا مستوًا إلى ما لا نهاية دون تكرار نمطه على الإطلاق. (الاسم عبارة عن تورية على “ein stein”، وهي كلمة ألمانية تعني “حجر واحد”، وليس إشارة إلى ألبرت أينشتاين).
أحدث مقاطع الفيديو منالعلوم الحية
في السبعينيات، عالم الرياضيات أظهر روجر بنروز أن شكلين مختلفين، يستخدمان معًا مثل بلاط الأرضيات، يمكن أن يغطيا السطح دون تكرار هذا النمط أبدًا. ثم، في عام 2023، وجد ديفيد سميث المتحمس للهندسة والمتعاونين معه واحدًا أخيرًا: شكل ذو 13 جانبًا أطلقوا عليه اسم “قبعة سميث”.“
يوتو موريتاكي، عالم فيزياء تجريبي في جامعة طوكيو، عثر على بلاط القبعة لأول مرة في كتاب علمي مشهور في عام 2024. موريتاكي متخصص في البلورات الضوئية – وهي مواد منقوشة بهياكل متكررة (غالبًا ما تكون أرق بكثير من شعرة الإنسان) تعمل على ثني الضوء وتوجيهه لاستخدامات مثل الليزر وأجهزة الاستشعار البصرية. تعتمد جميع البلورات الضوئية تقريبًا على أنماط تتكرر في شبكة عادية. تساءل موريتاكي عما سيحدث إذا استبدل هذا التكرار بترتيب بلاط القبعة الذي لا يتكرر أبدًا.
وقال موريتاكي لموقع Live Science: «قررت إدراجه في بنيتنا البلورية الضوئية»، واصفًا إياه بأنه نقطة البداية للمشروع.
لبناء الهيكل، استخدم موريتاكي وزملاؤه تقنيتين للتصنيع الدقيق، يُطلق عليهما الطباعة الحجرية والنقش بشعاع الإلكترون، لإحداث مئات الآلاف من الثقوب الصغيرة – يبلغ نصف قطر كل منها 100 نانومتر فقط، أو ما يقرب من 500 مرة أرق من شعرة الإنسان – في طبقة رقيقة من نيتريد السيليكون. تُستخدم هذه المادة الخزفية بشكل شائع في رقائق الكمبيوتر. تم ترتيب الثقوب وفقًا لنمط بلاط القبعة، بحيث تغطي شريحة يبلغ عرضها نصف ملليمتر تقريبًا – تقريبًا عرض رأس قلم الرصاص.
عندما سلط الفريق شعاع ليزر على الشريحة النهائية، تشتت الضوء، أو انحرف، إلى نمط على شكل دولاب الهواء الذي ظهر على الشاشة. قام موريتاكي أولاً بتصوير النمط الملون باستخدام وضع التعريض الطويل لجهاز iPhone الخاص به. التقط الإعداد ضوءًا خافتًا على مدار عدة ثوانٍ. ثم تحول بعد ذلك إلى الكاميرات المتخصصة للحصول على قياسات أكثر دقة.
كان النموذج مكونًا من نقاط مضيئة محددة جيدًا، تسمى قمم براغ، والتي ظلت في نفس المواضع بغض النظر عن مكان إصابة الليزر على الشريحة. أكد هذا الاتساق أن البنية لها نظام طويل المدى يمكن التنبؤ به، وهو ما يوجد في شبه البلورات، وهي فئة من المواد التي تتبع ذراتها (أو في هذه الحالة، الثقوب) نمطًا منظمًا لا يتكرر أبدًا، على عكس الشبكات المتكررة الموجودة في البلورات العادية، مثل ملح الطعام أو الماس.
نظرًا لأن بلاطة القبعة نفسها ليس لها تماثل مرآة – مما يعني أنها لا تبدو مثل انعكاسها، على غرار كيفية اختلاف اليد اليسرى عن اليد اليمنى – فإن نمط التشتت الذي أنتجته كان أيضًا غير متماثل بهذه الطريقة. يطلق العلماء على هذه الخاصية اسم اللامركزية.
أدى هذا اللاتماثل إلى أكبر مفاجأة للدراسة. يمكن أن يكون الضوء مستقطبًا بشكل دائري، مما يعني أنه يدور إما في اتجاه عقارب الساعة أو عكس اتجاه عقارب الساعة أثناء انتقاله، مثل المفتاح. عندما اختبر موريتاكي البنية باستخدام كلا النوعين من الضوء الدوار، وجد اختلافًا دقيقًا في كيفية انتشار كل اتجاه من البلورة. وأشباه البلورات العادية، التي لها تناظر مرآة، لا يمكنها إنتاج هذا النوع من التأثير.
قال موريتاكي: “يمكن أن يكون لهذا الهيكل نوع من الاعتماد على الاستقطاب الدائري”، مضيفًا أن التأثير – الذي أصبح ممكنًا فقط بسبب عدم تناسق البلاط – لم يكن شيئًا توقع العثور عليه في البداية.
الآن، يريد موريتاكي تطبيق هذا النمط الذي لا يتكرر أبدًا للتحكم في الضوء الذي ينتقل داخل الشريحة الضوئية، بدلاً من الضوء الذي يرتد ببساطة عن سطحها. وقال موريتاكي إن هذا قد يؤدي إلى استخدامات مستقبلية في الاتصالات البصرية والحوسبة الضوئية، وهي تقنيات تستخدم الضوء بدلاً من الكهرباء لنقل المعلومات أو معالجتها.
تعرف على مقدار ما تعرفه عن ألبرت أينشتاين من خلال موقعنا مسابقة ألبرت أينشتاين!
