Keď uvažujeme o singularitách, máme tendenciu myslieť na supermasívne čierne diery vo vzdialených galaxiách alebo vzdialenú budúcnosť s bezuzdnou umelou inteligenciou, ale singularity sú všade okolo nás. Singularity sú jednoducho miestom, kde nie sú definované niektoré parametre. Napríklad severný a južný pól sú takzvané súradnicové singularity, pretože nemajú určitú zemepisnú dĺžku.

Optické singularity sa zvyčajne vyskytujú, keď nie je špecifikovaná fáza svetla so špecifickou vlnovou dĺžkou alebo farbou. Tieto oblasti pôsobia úplne tmavo. Dnes sa skúmajú niektoré optické singularity, vrátane optických vírov, na použitie v optickej komunikácii a manipulácii s časticami, ale vedci len začínajú chápať potenciál týchto systémov. Otázkou zostáva, či dokážeme využiť tmu tak, ako využívame svetlo na výrobu nových výkonných technológií?

Teraz vyvinuli vedci z Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) novú metódu riadenia a tvarovania optických singularít. Táto technika môže byť použitá na vytvorenie singularít mnohých tvarov, presahujúcich jednoduché priame alebo zakrivené čiary. Na demonštráciu svojej metódy vedci vytvorili papier o jedinečnosti v tvare srdca.

Postup inžinierstva singularity sa tiež použil na vytvorenie exotickejších singularít, ako je napríklad polarizačný list singularity. Tu sa porovnávajú polarizačné vlastnosti (ako je polarizačný azimut, elipsoidný uhol a intenzita) experimentálne štruktúrovaného svetelného poľa s numerickými predikciami. Poďakovanie: Daniel Lim / Harvard SEAS

„Bežné holografické techniky sú dobré pri formovaní svetla, ale snažia sa formovať tmu,“ uviedol Federico Capasso, profesor aplikovanej fyziky Robert L. Wallace a pracovník elektrotechniky Fenton Hayes v spoločnosti SEAS a hlavný autor výskumu. „Predviedli sme inžinierstvo singularity na požiadanie, ktoré otvára široké spektrum možností v rozsiahlych poliach, od mikroskopických techník s vysokým rozlíšením až po nové atómové pasce a zachytávače častíc.“

Hľadanie bolo zverejnené v Prírodné spojenia.

Capasso a jeho tím použili na vytvorenie singularít ploché povrchy s malými nanopilármi.

„Metasurface nakláňa vlnoplochu svetla takým presným spôsobom na povrch, že interferenčný vzor prenášaného svetla produkuje rozšírené oblasti tmy,“ uviedol Daniel Lim, študent a prvý autor výskumného príspevku. „Tento prístup nám umožňuje presne skonštruovať tmavé oblasti s výrazne vysokým kontrastom.“

Na experimentálne dosiahnutie týchto štruktúr singularity sa použili metasurface, ktoré sú nanostruktúrovanými povrchmi obsahujúcimi tvary ako nanopiláre (vľavo) a nanofíny (vpravo). Vyššie uvedený obrázok ukazuje snímky nanostruktúr oxidu titaničitého skenovanou elektrónovou mikroskopiou, ktoré sa použili na presné tvarovanie čelnej plochy svetelných vĺn pri výrobe listov singularity. Poďakovanie: Daniel Lim / Harvard SEAS

Na zachytenie atómov v tmavých oblastiach je možné použiť vyvinuté singularity. Tieto zvláštnosti môžu tiež zlepšiť zobrazovanie vo vysokom rozlíšení. Zatiaľ čo svetlo je možné zamerať iba na oblasti s veľkosťou asi polovice vlnovej dĺžky (difrakčný limit), tma nemá žiadny difrakčný limit, čo znamená, že ho možno lokalizovať na ľubovoľnú veľkosť. To umožňuje tme interagovať s časticami na škálach oveľa menších vlnových dĺžok ako svetlo. To možno použiť na poskytnutie informácií nielen o veľkosti a tvare častíc, ale aj o ich orientácii.

Vytvorené singularity môžu presahovať svetelné vlny aj k iným typom vĺn.

„Môžete tiež skonštruovať mŕtve zóny v rádiových vlnách alebo tiché zóny v zvukových vlnách,“ uviedol Lim. „Tento výskum poukazuje na možnosť navrhovania zložitých topológií vo vlnovej fyzike inej ako optika, od elektrónových lúčov po akustiku.“

Odkaz: „Dokumenty o jedinečnosti a polarizácii geometrie“, autori Wei Daniel Lim, John Suh Park, Marina El Meritska, Ahmed H. Dora a Federico Capasso, 7. júla 2021, k dispozícii tu. Prírodné spojenia.
DOI: 10.1038 / s41467-021-24493-r

Úrad technologického rozvoja Harvardovej univerzity chránil duševné vlastníctvo spojené s týmto projektom a skúma možnosti komercializácie.

Autormi príspevku boli Joon-Suh Park, Maryna L. Meretska a Ahmed H. Dora. Čiastočne ju podporil Úrad vedeckého výskumu vzdušných síl pod číslom ocenenia FA9550- 19-1-0135 a Úrad námorného výskumu (ONR) pod číslom ocenenia N00014-20-1-2450.