利用黑暗的一面:光学奇点可以用于广泛的应用

心形奇点表

设计的心形相位奇点板的横截面。中心图像中的扩展暗区是奇点片的横截面。该相位在奇点表上未定义。信用:丹尼尔林/哈佛大海

当我们想到奇点时,我们倾向于想到遥远星系中的巨大黑洞,或者遥远的未来有失控的人工智能,但奇点无处不在。奇点只是一个某些参数没有定义的地方。例如,北极和南极被称为坐标奇点,因为它们没有确定的经度。

光学奇点通常发生在特定波长或颜色的光的相位未确定时。这些区域看起来完全黑暗。今天,一些光奇点,包括光涡旋,正在被探索用于光通信和粒子操纵,但科学家才刚刚开始了解这些系统的潜力。问题依然存在——我们能否像利用光一样利用黑暗来建造强大的新技术?

现在,来自哈佛约翰A.保尔森工程学院的研究人员和应用科学(SEAR)制定了一种控制和塑造光学奇点的新方法。该技术可用于工程到许多形状的奇点,远远超出简单的弯曲或直线。为了展示他们的技术,研究人员以心脏形状创造了一个奇点表。

偏振特性

奇异性工程程序也被应用于创造更多的奇异性,如极化奇异片。在这里,将实验结构光场的偏振特性(如偏振方位角、椭圆度角和强度)与数值预测进行了比较。信用:丹尼尔林/哈佛大海

“传统全息技术擅长塑造光线,但扭转了黑暗的斗争,”Federco Capasso,“Apply物理学和Vinton Hayes教授电气工程中的电气工程高级研究员高级研究员,”纸张的高级作者“的高级研究员。“我们已经展示了按需奇点工程,从超级分辨率显微镜技术到新的原子和粒子陷阱,在宽范围的田地中开辟了广泛的田地可能性。”

该研究发表在自然通信

卡帕索和他的团队使用带有精确形状的纳米柱的平面超表面来塑造奇点。

“元曲面在表面上以非常精确的方式倾斜光的波前沿,使得透射光的干涉图案产生延伸的黑暗区域,”海洋的研究生和纸张的第一个作者“丹尼尔林说。“这种方法使我们能够以非常高的对比度精确地设计黑暗区域。”

Metasurfaces Nanopillars Nanofins

超表面是一种含有纳米柱(左)和纳米鳍(右)形状的纳米结构表面,通过实验实现了这些奇异结构。上面的图片显示了扫描电子显微镜下的二氧化钛纳米结构的图像,它被用来精确地塑造产生奇异片的光的波前。信用:丹尼尔林/哈佛大海

工程奇点可用于在暗区中捕获原子。这些奇点还可以提高超级高分辨率成像。虽然光只能聚焦到大小的波长(衍射极限)的区域,但黑暗没有衍射极限,这意味着它可以定位到任何尺寸。这允许黑暗与长度的粒子相互作用,比光波长小得多。这可以用于提供关于颗粒的尺寸和形状的信息,而是它们的方向也是如此。

工程奇点可以扩展到光波以外的其他类型的波。

“你也可以在无线电波中设计死区或在声波中设计沉默区,”Lim说。“这项研究表明,从电子束到声学,波动物理学中设计复杂拓扑的可能性超越了光学。”

参考:“工程阶段和极化奇点张”,Wei Daniel Lim,Joon-Suh Park,Maryna L. Meretska,Ahmed H. Dorrah和Federico Capasso,2021年7月7日,自然通信
DOI:10.1038 / s41467-021-24493-y

哈佛大学技术开发办公室保护了与该项目有关的知识产权,正在探索商业化机会。

该研究由Joon-Suh Park,Maryna L. Meretska和Ahmed H. Dorrah共同撰写。它由奖项Fa9550-1-0135和海军研究办公室(INR)的奖项N00014-20-1-2450颁发的奖励号码和海军研究办公室提供支持。

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