Seção transversal da folha de singularidade de fase em forma de coração projetada. A região escura estendida na imagem central é uma seção transversal da folha de singularidade. A fase é indefinida na folha de singularidade. Crédito:Daniel Lim / Harvard SEAS
Quando pensamos em singularidades, tendemos a pensar em enormes buracos negros em galáxias distantes ou em um futuro distante com IA em fuga, mas as singularidades estão ao nosso redor. Singularidades são simplesmente um lugar onde certos parâmetros são indefinidos. Pólo Norte e Pólo Sul, por exemplo, são o que é conhecido como singularidades coordenadas porque não têm uma longitude definida.
As singularidades ópticas normalmente ocorrem quando a fase da luz com um comprimento de onda específico, ou cor, é indefinido. Essas regiões parecem completamente escuras. Hoje, algumas singularidades ópticas, incluindo vórtices ópticos, estão sendo explorados para uso em comunicações ópticas e manipulação de partículas, mas os cientistas estão apenas começando a entender o potencial desses sistemas. A questão permanece:podemos aproveitar as trevas como aproveitamos a luz para construir poderosos, novas tecnologias?
Agora, pesquisadores da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas de Harvard John A. Paulson (SEAS) desenvolveram uma nova maneira de controlar e dar forma às singularidades ópticas. A técnica pode ser usada para projetar singularidades de muitas formas, muito além de simples linhas curvas ou retas. Para demonstrar sua técnica, os pesquisadores criaram uma folha de singularidade em forma de coração.
"As técnicas convencionais de holografia são boas para moldar a luz, mas luta para moldar a escuridão, "disse Federico Capasso, Robert L. Wallace Professor de Física Aplicada e Vinton Hayes Pesquisador Sênior em Engenharia Elétrica na SEAS e autor sênior do artigo. "Demonstramos engenharia de singularidade sob demanda, que abre um vasto conjunto de possibilidades em campos abrangentes, de técnicas de microscopia de super-resolução a novas armadilhas atômicas e de partículas. "
A pesquisa é publicada em Nature Communications .
O procedimento de engenharia de singularidade também foi aplicado para criar singularidades mais exóticas, como uma folha de singularidade de polarização. Aqui, as propriedades de polarização (por exemplo, azimute de polarização, ângulo de elipticidade, e intensidade) do campo de luz estruturado experimental é comparado com as previsões numéricas. Crédito:Daniel Lim / Harvard SEAS
Capasso e sua equipe usaram metassuperfícies planas com nanopilares de formato preciso para dar forma às singularidades.
"A metassuperfície inclina a frente de onda da luz de uma maneira muito precisa sobre uma superfície, de modo que o padrão de interferência da luz transmitida produz regiões extensas de escuridão, "disse Daniel Lim, um estudante de pós-graduação na SEAS e primeiro autor do artigo. "Esta abordagem nos permite projetar com precisão regiões escuras com contraste notavelmente alto."
Singularidades projetadas podem ser usadas para capturar átomos em regiões escuras. Essas singularidades também podem melhorar a imagem de super alta resolução. Embora a luz só possa ser focada em regiões com cerca de meio comprimento de onda (o limite de difração) em tamanho, escuridão não tem limite de difração, o que significa que pode ser localizado em qualquer tamanho. Isso permite que a escuridão interaja com as partículas em escalas de comprimento muito menores do que os comprimentos de onda da luz. Isso poderia ser usado para fornecer informações não apenas sobre o tamanho e a forma das partículas, mas também sobre sua orientação.
As singularidades projetadas podem se estender além das ondas de luz para outros tipos de ondas.
"Você também pode projetar zonas mortas em ondas de rádio ou zonas silenciosas em ondas acústicas, "disse Lim." Esta pesquisa aponta para a possibilidade de projetar topologias complexas em física de ondas além da óptica, de feixes de elétrons à acústica, "disse Lim.
O Harvard Office of Technology Development protegeu a propriedade intelectual relativa a este projeto e está explorando oportunidades de comercialização.
