数学の未解決問題が生んだ新たな光の現象とは

2023年、数学界で長年未解決とされていた「アインシュタイン問題」の解として、存在が確認された非周期モノタイル。これに基づく新たな人工構造が、従来とは異なる不思議な光の回折パターンを生み出すことに成功しました。この研究は東京大学と東京科学大学の共同グループによるものです。非周期モノタイルは、一種類のタイルだけで平面に隙間なく敷き詰めることができるがその配置には周期性がない特性を持っています。この発見により、特殊な対称性をもつ光回折像が注目を集めています。

この研究を進めたのは、東京大学生産技術研究所の森竹勇斗准教授と東京科学大学の納富雅也教授を中心にした研究グループです。彼らは、2023年に発見されたハット型モノタイルに基づく構造を用いて、光の回折現象を実験的に明らかにしました。特に、円偏光が左右にどのように反応するかに注目し、これまでの準周期構造ではみられない新しい現象を確認しました。

モノタイル構造は、その複雑さから推測されるとおり、通常の準周期的なタイル配置とは異なり、構造のカイラルな性質が大きな影響を与えることが分かりました。実験では、白色レーザーをモノタイル準格子に照射し、観測した回折パターンが風車のような形状を持つことが確認されました。これは、光の進行と電場の向きを失った後の新しい応答を示しています。また、左回りと右回りの円偏光それぞれによる応答の違いも観測され、これがモノタイル準格子のカイラルな性質に起因していることが示されました。

これらの実験結果は、非周期モノタイルが理論的な概念だけにとどまらず、実際に応用の可能性を持つことを示唆しています。特に、ナノフォトニクスやメタサーフェスにおける光学技術の発展が期待されています。新しい光機能や光制御技術の開発に向けた第一歩となるでしょう。

森竹準教授は、「今回の研究を進める中で、数学における発見が物理の世界にも影響を及ぼすことを実感しています。今後もこの準周期構造をさらに発展させ、新しい光応用を模索していきたいです」と、今後の研究に対する意欲を明らかにしています。

この研究の成果は、国際的な科学雑誌『Nature Communications』に掲載され、物理学や材料科学における新しい枠組みを提案するものとして注目されています。今後の研究成果が、我々の生活の中にどう生かされるのか楽しみです。ナノ構造技術を用いて、未来の光学デバイスがどのように進化していくのか、ますます期待が高まります。