Metasurface genererer nye lystilstande til grundforskning og applikationer

Der er ikke noget nyt under solen - undtagen måske selve lyset.

I løbet af det sidste årti, anvendte fysikere har udviklet nanostrukturerede materialer, der kan producere helt nye lystilstande, der udviser mærkelig adfærd, såsom at bøje sig i en spiral, proptrækker og deler sig som en gaffel.

Disse såkaldte strukturerede stråler kan ikke kun fortælle forskere meget om lysets fysik, de har en bred vifte af applikationer fra superopløsningsbilleddannelse til molekylær manipulation og kommunikation.

Nu, forskere ved Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences har udviklet et værktøj til at generere nye, mere komplekse lystilstande på en helt anden måde.

Forskningen er publiceret i Videnskab .

"Vi har udviklet en metasurface, som er et nyt værktøj til at studere nye aspekter af lys, sagde Federico Capasso, Robert L. Wallace -professor i anvendt fysik og Vinton Hayes Senior Research Fellow i elektroteknik ved SEAS og seniorforfatter af papiret. "Denne optiske komponent muliggør meget mere komplekse operationer og gør det muligt for forskere ikke kun at udforske nye lystilstande, men også nye applikationer til struktureret lys."

Harvard Office of Technology Development har beskyttet den intellektuelle ejendomsret i forbindelse med dette projekt og undersøger muligheder for kommercialisering.

Den nye metasurface forbinder to aspekter af lys, kendt som orbital vinkelmoment og cirkulær polarisering (eller spin vinkelmoment). Polarisering er retningen, langs hvilken lyset vibrerer. I cirkulært polariseret lys, lysets vibration sporer en cirkel. Tænk på orbitalt vinkelmoment og cirkulær polarisering som en planets bevægelse. Cirkulær polarisering er den retning, hvor en planet roterer på sin akse, mens kredsløbsmomentet beskriver, hvordan planeten kredser om solen.

Det faktum, at lyset endda kan bære kredsløbsmoment er en relativt ny opdagelse - kun cirka 25 år gammel? - men det er denne egenskab af lys, der frembringer mærkelige nye tilstande, såsom bjælker i form af proptrækkere.

Tidligere forskning har brugt polariseringen af ​​lys til at styre størrelsen og formen af ​​disse eksotiske stråler, men forbindelsen var begrænset, fordi kun visse polarisationer kunne konvertere til bestemte kredsløbsmoment.

Denne forskning, imidlertid, udvider den forbindelse betydeligt.

"Denne metaoverflade giver den mest generelle forbindelse, gennem en enkelt enhed, mellem orbitalt momentum og polarisering af lys, der er opnået hidtil, "sagde Robert Devlin, medforfatter af papiret og tidligere kandidatstuderende i Capasso Lab.

Enheden kan designes, så enhver indgangspolarisering af lys kan resultere i ethvert orbitalt vinkelmomentoutput - hvilket betyder, at enhver polarisering kan give enhver form for struktureret lys, fra spiraler og proptrækkere til hvirvler af enhver størrelse. Og, den multifunktionelle enhed kan programmeres, så en polarisering resulterer i en hvirvel og en anden polarisering resulterer i en helt anden hvirvel.

"Dette er en helt ny optisk komponent, "sagde Antonio Ambrosio, Principal Scientist ved Harvard Center for Nanoscale Systems (CNS) og medforfatter af papiret. "Nogle metasurfaces er iterationer eller mere effektive, mere kompakte versioner af eksisterende optiske enheder, men, denne vilkårlige spin-to-orbital-konvertering kan ikke udføres med nogen anden optisk enhed. Der er heller ikke noget i naturen, der kan gøre dette og frembringe disse lystilstande. "

En potentiel anvendelse er inden for molekylær manipulation og optisk pincet, som bruger lys til at flytte molekyler. Lysets orbitale momentum er stærk nok til at få mikroskopiske partikler til at rotere og bevæge sig.

"Du kan forestille dig, hvis vi belyser enheden med en polarisering af lys, det vil skabe en kraft af en bestemt art, "sagde Ambrosio." Så, hvis du vil ændre kraften, alt du skal gøre er at ændre polariseringen af ​​det indgående lys. Kraften er direkte relateret til enhedens design. "

En anden applikation er kraftfuld billeddannelse. Det sorte hul i midten af ​​hvirvelen, kendt som nul-lysintensitetsområdet, kan billedfunktioner mindre end diffraktionsgrænsen, som normalt er halvdelen af ​​lysets bølgelængde. Ved at ændre lysets polarisering, størrelsen på dette centerområde kan ændres til at fokusere funktioner i forskellige størrelser.

Men disse bjælker kan også kaste lys over fysiske grundlæggende spørgsmål.

"Disse særlige bjælker er først og fremmest af grundlæggende videnskabelig interesse, "sagde Noah Rubin, medforfatter af papiret og kandidatstuderende i Capasso Lab. "Der er interesse for disse bjælker i kvanteoptik og kvanteinformation. På den mere anvendte side, disse stråler kunne finde anvendelse i optisk kommunikation i frit rum, især i spredningsmiljøer, hvor dette normalt er svært. I øvrigt, det er for nylig blevet vist, at lignende elementer kan inkorporeres i lasere, direkte frembringe disse nye lystilstande. Dette kan føre til uforudsete applikationer. "