Оптичні особливості можуть бути використані для найрізноманітніших застосувань

Коли ми думаємо про сингулярності, ми схильні думати про надмасивні чорні діри в далеких галактиках або далекому майбутньому з нестримним штучним інтелектом, але сингулярності є навколо нас. Особливості – це просто місце, де деякі параметри не визначені. Наприклад, Північний і Південний полюси – це те, що називають особливістю координат, оскільки вони не мають певної довготи.

Оптичні сингулярності зазвичай виникають, коли фаза світла певної довжини хвилі або кольору не вказана. Ці ділянки здаються абсолютно темними. Сьогодні деякі оптичні особливості, включаючи оптичні вихори, досліджуються для використання в оптичному зв’язку та маніпулюванні частинками, але вчені лише починають розуміти потенціал цих систем. Залишається питання – чи можемо ми використовувати темряву, як освітлюючий світ, для побудови потужних нових технологій?

Зараз дослідники з Гарвардської школи інженерних та прикладних наук Джона А. Полсона (SEAS) розробили новий метод управління та формування оптичних особливостей. Ця техніка може бути використана для спроектування особливостей багатьох форм, що перевищують прості прямі або криві лінії. Щоб продемонструвати свій метод, дослідники створили папір про особливість у формі серця.

Процедура інжинірингу сингулярності також застосовується для створення більш екзотичних сингулярностей, таких як лист поляризації сингулярності. Тут поляризаційні властивості (такі як азимут поляризації, кут еліпсоїда та інтенсивність) експериментально структурованого світлового поля порівнюються з числовими прогнозами. Кредит: Даніель Лім / Гарвардське море

“Звичайні голографічні методи добре формують світло, але вони намагаються сформувати темряву”, – сказав Федеріко Капассо, Роберт Л. Уоллес, професор прикладної фізики та Фентон Хейс, професор з електротехніки в SEAS і старший автор дослідження. “Ми продемонстрували технологію сингулярності на вимогу, яка відкриває широкий спектр можливостей у великомасштабних полях, починаючи від методів мікроскопії з надвисокою роздільною здатністю і закінчуючи новими атомними пастками та пастками”.

Пошук було опубліковано в Природні зв’язки.

Капассо та його команда використовували плоскі поверхневі поверхні з крихітними нанополюсами для формування особливостей.

“Метаповерхня нахиляє хвильовий фронт світла настільки точно на поверхні, що інтерференційна картина переданого світла створює розширені області темряви”, – сказав Даніель Лім, аспірант SEAS і перший автор дослідницької роботи. “Цей підхід дозволяє нам точно розробляти темні ділянки із значно високою контрастністю”.

Для експериментального досягнення цих структур особливості використовувались метаповерхні, які є наноструктурованими поверхнями, що містять такі форми, як нанопили (ліворуч) та нанофіни (праворуч). На зображенні вище показано зображення скануючої електронної мікроскопії наноструктур діоксиду титану, які використовувались для точного формування світлового хвильового фронту при створенні листів особливості. Кредит: Даніель Лім / Гарвардське море

Інженерні сингулярності можуть бути використані для захоплення атомів у темних областях. Ці особливості також можуть покращити зображення з надвисокою роздільною здатністю. Хоча світло може бути сфокусоване лише на областях розміром приблизно в половину довжини хвилі (межа дифракції), темрява не має межі дифракції, що означає, що вона може бути локалізована до будь-якого розміру. Це дозволяє темряві взаємодіяти з частинками на масштабах набагато менших довжин хвиль, ніж світло. Це може бути використано для надання інформації не тільки про розмір і форму частинок, але й про їх орієнтацію.

Спроектовані особливості можуть виходити за межі світлових хвиль і на інші типи хвиль.

“Ви також можете спроектувати мертві зони на радіохвилях або тихі зони на звукових хвилях”, – сказав Лім. “Це дослідження вказує на можливість проектування складних топологій у фізиці хвиль, крім оптики, від електронних пучків до акустики”.

Довідково: “Унікальність фази геометрії та документи про поляризацію” Незабаром Вей Даніель Лім, Джон Сух Парк, Марина Ель Меріцька, Ахмед Х. Дора та Федеріко Капассо, 7 липня 2021 р. Доступно тут. Природні зв’язки.
DOI: 10.1038 / s41467-021-24493-y

Управління розвитку технологій Гарвардського університету захистило інтелектуальну власність, пов’язану з цим проектом, і вивчає можливості комерціалізації.

Співавторами статті стали Джоун-Сух Парк, Марина Л. Мерецька та Ахмед Х. Дора. Це було частково підтримано Управлінням наукових досліджень ВПС під номером нагороди FA9550- 19-1-0135 та Управлінням морських досліджень (ONR) під номером нагороди N00014-20-1-2450.