Optische singulariteiten kunnen voor een breed scala aan toepassingen worden gebruikt

Als we aan singulariteiten denken, hebben we de neiging om te denken aan superzware zwarte gaten in verre sterrenstelsels of een verre toekomst met ongebreidelde kunstmatige intelligentie, maar singulariteiten zijn overal om ons heen. Singulariteiten zijn gewoon een plaats waar sommige parameters niet gedefinieerd zijn. De Noord- en Zuidpool zijn bijvoorbeeld zogenaamde coördinaat-singulariteiten omdat ze geen duidelijke lengtegraad hebben.

Optische singulariteiten treden meestal op wanneer de lichtfase van een specifieke golflengte of kleur niet is gespecificeerd. Deze gebieden lijken volledig donker. Tegenwoordig worden enkele optische singulariteiten, waaronder optische wervels, onderzocht voor gebruik in optische communicatie en deeltjesmanipulatie, maar wetenschappers beginnen het potentieel van deze systemen pas te begrijpen. De vraag blijft: kunnen we duisternis gebruiken zoals we licht gebruiken om krachtige nieuwe technologieën te bouwen?

Nu hebben onderzoekers van de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) een nieuwe methode ontwikkeld voor het controleren en vormgeven van optische singulariteiten. Deze techniek kan worden gebruikt om singulariteiten van vele vormen te ontwerpen, voorbij eenvoudige rechte of gebogen lijnen. Om hun methode te demonstreren, creëerden de onderzoekers een hartvormig singulariteitspapier.

De procedure voor singulariteitsengineering is ook toegepast om meer exotische singulariteiten te creëren, zoals het singulariteitspolarisatieblad. Hier worden de polarisatie-eigenschappen (zoals polarisatie-azimut, ellipsoïde hoek en intensiteit) van het experimenteel gestructureerde lichtveld vergeleken met numerieke voorspellingen. Krediet: Daniel Lim/Harvard SEAS

Federico Capasso, hoogleraar toegepaste natuurkunde Robert L. “We hebben on-demand singulariteitstechniek gedemonstreerd, die een breed scala aan mogelijkheden opent in grootschalige velden, van ultraresolutiemicroscopietechnieken tot nieuwe atomaire en deeltjesvallen.”

De zoekopdracht is gepubliceerd in Verbindingen met de natuur.

Capasso en zijn team gebruikten de platte oppervlakken van nanopilaren om de singulariteiten te vormen.

“Het meta-oppervlak kantelt het golffront van licht op zo’n precieze manier op een oppervlak dat het interferentiepatroon van doorgelaten licht uitgebreide gebieden van duisternis produceert”, zegt Daniel Lim, een afgestudeerde SEAS-student en eerste auteur van het onderzoeksartikel. “Deze aanpak stelt ons in staat om donkere gebieden met een aanzienlijk hoog contrast nauwkeurig te bewerken.”

Metasurfaces, die nanogestructureerde oppervlakken zijn die vormen bevatten zoals nanopilaren (links) en nanovinnen (rechts), werden gebruikt om deze singulariteitsstructuren experimenteel te bereiken. De bovenstaande afbeelding toont scanning-elektronenmicroscopiebeelden van titaniumdioxide-nanostructuren die zijn gebruikt om het lichtgolffront nauwkeurig te vormen bij de productie van singulariteitsplaten. Krediet: Daniel Lim/Harvard SEAS

Gemanipuleerde singulariteiten kunnen worden gebruikt om atomen in donkere gebieden te vangen. Deze singulariteiten kunnen ook de beeldvorming met ultrahoge resolutie verbeteren. Terwijl licht alleen kan worden gefocust op gebieden met een grootte van ongeveer een halve golflengte (de diffractielimiet), heeft duisternis geen diffractielimiet, wat betekent dat het tot elke grootte kan worden gelokaliseerd. Hierdoor kan duisternis interageren met deeltjes op schalen met veel kleinere golflengten dan licht. Dit kan worden gebruikt om informatie te verstrekken over niet alleen de grootte en vorm van de deeltjes, maar ook hun oriëntatie.

Gemanipuleerde singulariteiten kunnen verder gaan dan lichtgolven naar andere soorten golven.

“Je kunt ook dode zones in radiogolven of stille zones in geluidsgolven ontwerpen”, zei Lim. “Dit onderzoek wijst op de mogelijkheid om complexe topologieën te ontwerpen in andere golffysica dan optica, van elektronenbundels tot akoestiek.”

Referentie: “Geometry Phase Uniqueness and Polarization Papers” door Soon Wei Daniel Lim, John Suh Park, Marina El Meritska, Ahmed H. Dora en Federico Capasso, 7 juli 2021 Hier beschikbaar. Verbindingen met de natuur.
DOI: 10.1038 / s41467-021-24493-y

Het Office of Technology Development van Harvard University heeft de intellectuele eigendom met betrekking tot dit project beschermd en onderzoekt de mogelijkheden voor commercialisering.

Het papier is co-auteur van Joon-Suh Park, Maryna L. Meretska en Ahmed H. Dora. Het werd gedeeltelijk ondersteund door het Air Force Office of Scientific Research onder awardnummer FA9550-19-1-0135 en door het Office of Naval Research (ONR) onder awardnummer N00014-20-1-2450.