No hay nada nuevo bajo el sol, excepto tal vez la luz misma.

Durante la ultima decada, Los físicos aplicados han desarrollado materiales nanoestructurados que pueden producir estados de luz completamente nuevos que exhiben un comportamiento extraño. como doblarse en espiral, sacacorchos y partiendo como un tenedor.

Estos llamados haces estructurados no solo pueden decirles mucho a los científicos sobre la física de la luz, tienen una amplia gama de aplicaciones, desde imágenes de superresolución hasta manipulación molecular y comunicaciones.

Ahora, investigadores de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard han desarrollado una herramienta para generar nuevos estados de luz más complejos de una manera completamente diferente.

La investigación se publica en Ciencias .

"Hemos desarrollado una metasuperficie que es una nueva herramienta para estudiar aspectos novedosos de la luz, "dijo Federico Capasso, el profesor Robert L. Wallace de física aplicada y el investigador principal Vinton Hayes en ingeniería eléctrica en SEAS y autor principal del artículo. "Este componente óptico posibilita operaciones mucho más complejas y permite a los investigadores no solo explorar nuevos estados de luz, sino también nuevas aplicaciones para la luz estructurada".

La Oficina de Desarrollo Tecnológico de Harvard ha protegido la propiedad intelectual relacionada con este proyecto y está explorando oportunidades de comercialización.

La nueva metasuperficie conecta dos aspectos de la luz, conocido como momento angular orbital y polarización circular (o momento angular de giro). La polarización es la dirección a lo largo de la cual vibra la luz. En luz circularmente polarizada, la vibración de la luz traza un círculo. Piense en el momento angular orbital y la polarización circular como el movimiento de un planeta. La polarización circular es la dirección en la que un planeta gira sobre su eje, mientras que el impulso orbital describe cómo el planeta orbita alrededor del sol.

El hecho de que la luz pueda incluso llevar el impulso orbital es un descubrimiento relativamente reciente (¿solo tiene unos 25 años?), Pero es esta propiedad de la luz la que produce nuevos estados extraños. como vigas en forma de sacacorchos.

Investigaciones anteriores han utilizado la polarización de la luz para controlar el tamaño y la forma de estos rayos exóticos, pero la conexión era limitada porque solo ciertas polarizaciones podían convertirse en ciertos momentos orbitales.

Esta investigación, sin embargo, expande significativamente esa conexión.

"Esta metasuperficie proporciona la conexión más general, a través de un solo dispositivo, entre el impulso orbital y la polarización de la luz que se ha logrado hasta ahora, "dijo Robert Devlin, co-primer autor del artículo y ex estudiante de posgrado en el Capasso Lab.

El dispositivo se puede diseñar de modo que cualquier polarización de entrada de luz pueda dar como resultado cualquier salida de momento angular orbital, lo que significa que cualquier polarización puede producir cualquier tipo de luz estructurada. desde espirales y sacacorchos hasta vórtices de cualquier tamaño. Y, el dispositivo multifuncional se puede programar de modo que una polarización dé como resultado un vórtice y una polarización diferente dé como resultado un vórtice completamente diferente.

"Este es un componente óptico completamente nuevo, "dijo Antonio Ambrosio, Científico principal del Centro de Harvard para Sistemas a Nanoescala (CNS) y coautor del artículo. "Algunas metasuperficies son iteraciones o más eficientes, Versiones más compactas de dispositivos ópticos existentes pero, esta conversión arbitraria de espín a orbital no se puede realizar con ningún otro dispositivo óptico. Tampoco hay nada en la naturaleza que pueda hacer esto y producir estos estados de luz ".

Una aplicación potencial está en el ámbito de la manipulación molecular y las pinzas ópticas, que utilizan la luz para mover moléculas. El impulso orbital de la luz es lo suficientemente fuerte como para hacer que las partículas microscópicas giren y se muevan.

"Puedes imaginar, si iluminamos el dispositivo con una polarización de luz, creará una fuerza de un tipo particular, "dijo Ambrosio." Entonces, si quieres cambiar la fuerza, todo lo que necesita hacer es cambiar la polarización de la luz entrante. La fuerza está directamente relacionada con el diseño del dispositivo ".

Otra aplicación son las imágenes de alta potencia. El agujero negro en el centro del vórtice, conocida como la región de intensidad de luz cero, ¿Pueden las características de la imagen más pequeñas que el límite de difracción, que suele ser la mitad de la longitud de onda de la luz. Al cambiar la polarización de la luz, el tamaño de esta región central se puede cambiar para enfocar entidades de diferentes tamaños.

Pero estos rayos también pueden arrojar luz sobre cuestiones fundamentales de la física.

"Estos haces particulares son ante todo de interés científico fundamental, "dijo Noah Rubin, co-primer autor del artículo y estudiante de posgrado en el Capasso Lab. "Hay interés en estos rayos en la óptica cuántica y la información cuántica. En el lado más aplicado, estos haces podrían encontrar aplicación en la comunicación óptica en el espacio libre, especialmente en entornos dispersos donde esto suele ser difícil. Es más, Recientemente se ha demostrado que se pueden incorporar elementos similares en láseres, produciendo directamente estos nuevos estados de luz. Esto puede dar lugar a aplicaciones imprevistas ".