La singularidad óptica se puede utilizar para una amplia gama de aplicaciones.

Intersección de periódicos de singularidad escalonada en forma de corazón diseñada. El círculo oscuro en la imagen centralizada es la intersección del periódico de la singularidad. La fase no se determina en la hoja de unicidad. Préstamo: Daniel Lim / Harvard Seas

Cuando pensamos en la unicidad, tendemos a pensar en agujeros negros masivos en galaxias lejanas o en el futuro lejano con IA escapada, pero la singularidad está a nuestro alrededor. La unicidad es simplemente el lugar donde algunos parámetros no están definidos. Por ejemplo, los polos norte y sur se conocen como singularidades de coordenadas porque no tienen una longitud definida.

La unicidad óptica generalmente ocurre cuando la fase de la luz no está definida por una determinada longitud de onda o color. Estas áreas parecen completamente oscuras. En la actualidad, se están estudiando algunas peculiaridades ópticas, incluidos los vórtices ópticos, para su uso en comunicaciones ópticas y manipulación de partículas, pero los científicos apenas están comenzando a comprender el potencial de estos sistemas. La pregunta permanece. ¿Podemos usar la oscuridad mientras suprimimos la luz para construir nuevas tecnologías poderosas?

Ahora Harvard A. en A. Investigadores de la Escuela Paulson de Ingeniería y Ciencias Aplicadas (SEAS) han desarrollado una nueva forma de controlar y dar forma a la singularidad óptica. La técnica se puede utilizar para desarrollar la singularidad de muchas formas mucho más allá de las simples líneas rectas. Para demostrar su técnica, los investigadores crearon una hoja de singularidad en forma de corazón.

El orden de ingeniería de unicidad también se utilizó para crear unicidad más exótica, como la unicidad de la hoja de polarización. Aquí, las propiedades de carga del campo de iluminación estructural experimental (por ejemplo, acimut de apertura, ángulo de elipse, intensidad) se comparan con predicciones numéricas. Préstamo: Daniel Lim / Harvard Seas

«Las técnicas de holografía convencionales son buenas para proyectar luz, pero luchan por proyectar oscuridad», dijo Federico Capaso, profesor de física aplicada. Wallace es el autor principal de Winton Hayes, investigador eléctrico senior. «Hemos demostrado una ingeniería de singularidad bajo demanda que brinda una amplia oportunidad en una amplia gama de campos, desde la tecnología de microscopios de alta presión hasta nuevas trampas de partículas atómicas».

El estudio se publica Comunicaciones de la naturaleza,

Capason և y su equipo utilizaron interfaces suaves con nanopilas moldeadas con precisión para crear singularidad.

«Metasurface dobla con mucha precisión el frente de la onda de luz hacia la superficie para crear un patrón de interferencia de luz transmitida, creando largos círculos de oscuridad», dijo Daniel Lim, primer autor del artículo de doctorado SEAS. «Este enfoque le permite procesar con precisión las áreas oscuras que tienen un contraste significativamente mayor».

Metasuperficies, que son superficies nanoestructuradas que contienen huevos tipo nanopilar (izquierda) y nanofina (derecha), se han utilizado para construir experimentalmente estructuras de esta singularidad. La imagen de arriba muestra imágenes de un microscopio electrónico de barrido de nanoestructuras de dióxido de titanio utilizadas para dar forma con precisión al frente de una onda de luz para producir láminas de singularidad. Préstamo: Daniel Lim / Harvard Seas

La singularidad de la ingeniería podría usarse para atrapar átomos en áreas oscuras. Estas características únicas también pueden mejorar las imágenes a altas resoluciones. Aunque la luz solo puede enfocarse en regiones aproximadamente del tamaño de la longitud de onda (límite de difracción), la oscuridad no tiene límite de difracción, lo que significa que se puede localizar en cualquier tamaño. Esto permite que la oscuridad interactúe con partículas en una escala mucho más pequeña que las longitudes de onda de la luz. Esto se puede utilizar para proporcionar información no solo sobre el tamaño de las partículas, sino también sobre su orientación.

La singularidad de la ingeniería podría extenderse más allá de las ondas de luz a otros tipos de ondas.

«También puede desarrollar bandas muertas de ingeniería para ondas de radio o bandas silenciosas para ondas acústicas», dijo Lim. «Este estudio apunta a la posibilidad de diseñar topologías complejas en óptica más allá de la óptica, desde haces de electrones hasta acústica».

Referencia. Próximamente en Wei Daniel Lim, Joon-Suh Park, Maryna L.Meretska, Ahmed A. Dorrah և Federico Capasso, Engineering Phase և Unique Loading Sheets, 2021. 07 de julio, Comunicaciones de la naturaleza,
DOI: 10.1038 / s41467-021-24493-y:

La Oficina de Desarrollo Tecnológico de Harvard ha protegido la propiedad intelectual asociada con este proyecto y está explorando oportunidades de comercialización.

El estudio es coautor de Jo Un-Su Park, Marina L. Meretzkan և Ahmed H. Dora. Fue apoyado parcialmente por la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea con el premio número FA9550-19-1-0135 գրասենյ Oficina de Investigación Naval (ONR) con el premio N00014-20-1-2450.