Singularitățile optice pot fi utilizate pentru o mare varietate de aplicații

Secțiunea transversală a frunzei unice proiectată în formă de inimă. Zona întunecată extinsă din imaginea centrală este o secțiune transversală a foii de singularitate. Etapa nu este specificată pe foaia de singularitate. Credit: Daniel Lim / Harvard SEAS

Când ne gândim la singularități, avem tendința să ne gândim la găurile negre supermasive din galaxiile îndepărtate sau la un viitor îndepărtat cu inteligență artificială neînfrânată, dar singularitățile sunt în jurul nostru. Singularitățile sunt pur și simplu un loc în care unii parametri sunt nedefiniți. Polul Nord și Sud, de exemplu, sunt ceea ce este cunoscut sub numele de singularități de coordonate, deoarece nu au o longitudine definită.

Singularitățile optice apar de obicei atunci când faza de lumină a unei anumite lungimi de undă sau culoare nu este specificată. Aceste zone par complet întunecate. Astăzi, unele singularități optice, inclusiv vortexurile optice, sunt explorate pentru a fi utilizate în comunicațiile optice și manipularea particulelor, dar oamenii de știință încep doar să înțeleagă potențialul acestor sisteme. Întrebarea rămâne – putem să ne folosim de întuneric așa cum folosim lumina pentru a construi noi tehnologii puternice?

Acum, cercetătorii de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) au dezvoltat o nouă metodă de control și modelare a singularităților optice. Această tehnică poate fi utilizată pentru a proiecta singularități de mai multe forme, dincolo de linii drepte sau curbe simple. Pentru a demonstra metoda lor, cercetătorii au creat o lucrare de singularitate în formă de inimă.

Procedura de inginerie a singularității a fost, de asemenea, aplicată pentru a crea singularități mai exotice, cum ar fi foaia de polarizare a singularității. Aici, proprietățile de polarizare (cum ar fi azimutul de polarizare, unghiul elipsoidului și intensitatea) câmpului de lumină structurat experimental sunt comparate cu predicțiile numerice. Credit: Daniel Lim / Harvard SEAS

Federico Capasso, profesor de fizică aplicată Robert L. „Am demonstrat ingineria singularității la cerere, care deschide o gamă largă de posibilități pe câmpuri la scară largă, de la tehnici de microscopie cu rezoluție ultra până la noi capcane atomice și de particule”.

Căutarea a fost publicată în Conexiuni Natura.

Capasso și echipa sa au folosit suprafețele plane ale nanopilarilor pentru a forma singularitățile.

„Metasuprafața înclină frontul de undă al luminii într-un mod atât de precis pe o suprafață încât modelul de interferență al luminii transmise produce regiuni extinse de întuneric”, a declarat Daniel Lim, student absolvent SEAS și primul autor al lucrării de cercetare. „Această abordare ne permite să proiectăm cu precizie zone întunecate cu un contrast semnificativ ridicat”.

Metasuprafețele, care sunt suprafețe nanostructurate care conțin forme precum nanopiloarele (stânga) și nanofinele (dreapta), au fost utilizate pentru a realiza experimental aceste structuri de singularitate. Imaginea de mai sus prezintă imagini de scanare cu microscopie electronică a nanostructurilor de dioxid de titan care au fost utilizate pentru a modela cu precizie fața de undă a luminii în producția de foi de singularitate. Credit: Daniel Lim / Harvard SEAS

Singularitățile proiectate pot fi folosite pentru a prinde atomii în regiunile întunecate. Aceste singularități pot îmbunătăți, de asemenea, imagini de înaltă rezoluție. În timp ce lumina poate fi concentrată doar pe zone cu dimensiuni de aproximativ o jumătate de lungime de undă (limita de difracție), întunericul nu are limită de difracție, ceea ce înseamnă că poate fi localizată la orice dimensiune. Acest lucru permite întunericului să interacționeze cu particule pe scări cu lungimi de undă mult mai mici decât lumina. Aceasta poate fi utilizată pentru a furniza informații nu numai despre dimensiunea și forma particulelor, ci și despre orientarea lor.

Singularitățile proiectate se pot extinde dincolo de undele luminoase la alte tipuri de unde.

„De asemenea, puteți proiecta zone moarte în unde radio sau zone tăcute în unde sonore”, a spus Lim. „Această cercetare indică posibilitatea de a proiecta topologii complexe în fizica undelor, altele decât optica, de la fascicule de electroni la acustică”.

Referință: „Geometry Phase Un uniceness and Polarization Papers” De curând Wei Daniel Lim, John Suh Park, Marina El Meritska, Ahmed H. Dora și Federico Capasso, 7 iulie 2021 Disponibil aici. Conexiuni Natura.
DOI: 10.1038 / s41467-021-24493-y

Biroul de Dezvoltare Tehnologică al Universității Harvard a protejat proprietatea intelectuală legată de acest proiect și explorează oportunități de comercializare.

Lucrarea a fost coautoră de Joon-Suh Park, Maryna L. Meretska și Ahmed H. Dora. Acesta a fost sprijinit parțial de Oficiul de Cercetare Științifică al Forțelor Aeriene sub numărul de atribuire FA9550- 19-1-0135 și de Oficiul de Cercetări Navale (ONR) cu numărul de atribuire N00014-20-1-2450.