東京大学先端科学技術研究センターの田中 肇特任研究員／東京大学名誉教授、復旦大学のタン ペン教授のグループ、南京大学のマー ユーチャン教授らとの国際共同研究により、複雑な回転対称性をもつ格子構造を、単純な等方的粒子間相互作用のみで自己組織化させる新しい理論原理「双対対称性誘導（Dual-Symmetry-Guided; DSG）法」を確立しました。
従来、複雑な結晶構造を安定化するには、相互作用そのものに方向性や多体性を組み込む必要があると考えられてきました。すなわち、「構造の複雑性は相互作用の複雑さに由来する」という前提が暗黙に受け入れられてきました。しかし本研究は、この常識を再検討し、複雑構造の形成において本質的なのは相互作用の詳細ではなく、幾何学的双対性に基づく対称性の選択であることを示しました。
本研究では、任意のアルキメデス格子が部分格子とその双対格子の和として表現できるという幾何学的事実に着目し、対称性を担う部分格子のみを選択的に固定する最小拘束戦略を導入しました。その結果、単純な双極子斥力のみで11種類すべてのアルキメデス格子を実現できることを実験的に示すとともに、準結晶構造へも拡張可能であることを明らかにしました。
本成果は、複雑構造形成における「相互作用中心」の設計思想から「幾何学・対称性中心」の設計思想への転換を提案するものです。構造安定化と動的可塑性を両立させるこの原理は、自己組織化の理論的枠組みを拡張し、機能性メタマテリアル設計に新しい基盤を与えると期待されます。