Optiske singulariteter kunne bruges til en lang række applikationer fra superopløsning til billedoptagelse

Når vi tænker på singulariteter, vi har en tendens til at tænke på massive sorte huller i fjerne galakser eller en fjern fremtid med løbsk AI, men særpræg er rundt omkring os. Singulariteter er simpelthen et sted, hvor visse parametre er udefinerede. Nord- og Sydpolen, for eksempel, er det, der er kendt som koordinat singulariteter, fordi de ikke har en defineret længdegrad.

Optiske singulariteter opstår typisk, når lysfasen med en bestemt bølgelængde, eller farve, er udefineret. Disse områder ser helt mørke ud. I dag, nogle optiske singulariteter, herunder optiske hvirvler, bliver undersøgt til brug i optisk kommunikation og partikelmanipulation, men forskere er lige begyndt at forstå potentialet i disse systemer. Spørgsmålet er stadig - kan vi udnytte mørket, ligesom vi udnyttede lyset til at bygge kraftfulde, nye teknologier?

Nu, forskere fra Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) har udviklet en ny måde at kontrollere og forme optiske singulariteter. Teknikken kan bruges til at konstruere singulariteter i mange former, langt ud over simple buede eller lige linjer. For at demonstrere deres teknik, forskerne lavede et singularitetsark i form af et hjerte.

"Konventionelle holografi -teknikker er gode til at forme lys, men kæmper for at forme mørket, sagde Federico Capasso, Robert L. Wallace -professor i anvendt fysik og Vinton Hayes Senior Research Fellow i elektroteknik ved SEAS og seniorforfatter af papiret. "Vi har demonstreret on-demand singularitetsteknik, som åbner op for en lang række muligheder inden for vidtrækkende områder, fra superopløsningsmikroskopiteknikker til nye atom- og partikelfælder. "

Forskningen er publiceret i Naturkommunikation .

Capasso og hans team brugte flade metasurfaces med præcist formede nanopiller til at forme singulariteterne.

"Metaoverfladen vipper lysets bølgefront på en meget præcis måde over en overflade, så interferensmønsteret for det transmitterede lys frembringer udvidede områder af mørke, "sagde Daniel Lim, en kandidatstuderende ved SEAS og første forfatter af papiret. "Denne tilgang giver os mulighed for præcist at konstruere mørke områder med bemærkelsesværdig høj kontrast."

Konstruerede singulariteter kunne bruges til at fange atomer i mørke områder. Disse singulariteter kan også forbedre billeddannelse med superhøj opløsning. Selvom lys kun kan fokuseres på områder med en halv bølgelængde (diffraktionsgrænsen) i størrelse, mørket har ingen diffraktionsgrænse, hvilket betyder, at den kan lokaliseres til enhver størrelse. Dette gør det muligt for mørket at interagere med partikler over længder, der er meget mindre end lysets bølgelængder. Dette kunne bruges til at give information om ikke kun partiklernes størrelse og form, men også deres orientering.

Konstruerede singulariteter kunne strække sig ud over lysbølger til andre typer bølger.

"Du kan også konstruere døde zoner i radiobølger eller tavse zoner i akustiske bølger, "sagde Lim." Denne forskning peger på muligheden for at designe komplekse topologier inden for bølgefysik ud over optik, fra elektronstråler til akustik, "sagde Lim.

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