数学の未解決問題から生まれた「不思議なタイル」で風車のような光の模様を観測――非周期モノタイルが拓く新しい光ナノ構造――

2026-07-30 東京大学

東京大学、東京科学大学、NTTの研究グループは、2023年に数学の未解決問題「アインシュタイン問題」の解として発見された非周期モノタイル(ハット型タイル)に基づく人工ナノ構造を作製し、その特異な光回折現象を世界で初めて実証した。研究では、モノタイルの重心から構成したカイラルな準格子を窒化シリコン膜上に微細加工し、レーザー光を照射した結果、鏡映対称性を持たない構造に由来する風車状の回折パターンと、長距離秩序を示すブラッグピークを観測した。さらに、右回り・左回りの円偏光で回折強度が異なる円偏光依存性を確認し、従来の準周期構造にはない新しい光学応答を発見した。本成果は、数学的概念であった非周期モノタイルが実際の物理現象を生み出すことを示すとともに、カイラルな準周期構造を利用したナノフォトニクス、メタサーフェス、フォトニック結晶などにおける新たな光制御技術や光デバイスの創出につながることが期待される。

数学の未解決問題から生まれた「不思議なタイル」で風車のような光の模様を観測――非周期モノタイルが拓く新しい光ナノ構造――
左:モノタイル構造による非周期タイリング
右:白色レーザを入射したときに観察されたカイラルな光回折像

<関連情報>

非周期的なモノタイル構造からのキラル回折 Chiral diffraction from aperiodic monotile structure

Yuto Moritake,Masato Takiguchi,Takuma Aihara & Masaya Notomi
Nature Communications  Published:29 July 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-026-75023-7

Abstract

Aperiodic systems, such as quasiperiodic structures, exhibit properties distinct from those of periodic structures. In 2023, Smith et al. discovered an aperiodic structure based on a single tile shape that can tessellate the plane only aperiodically, known as an aperiodic monotile. Here, by using this monotile tiling, we propose a quasiperiodic structure which possesses perfect threefold rotational (C3) symmetry but lacks mirror symmetry. Diffraction experiments reveal quasicrystalline properties of the proposed aperiodic structure through observation of clear Bragg peaks and independence of illumination position. Furthermore, we observe chiral properties including pinwheel-like diffraction patterns and unconventional circular-polarization-dependent behavior, which is absent in conventional quasiperiodic structures with mirror symmetry. These findings establish chiral quasiperiodic structures as a platform for studying aperiodic systems beyond traditional quasicrystals, broadening the study of nonperiodic structures.

1701物理及び化学
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