Sección transversal de la hoja de singularidad de fase en forma de corazón diseñada. La región oscura extendida en la imagen central es una sección transversal de la hoja de singularidad. La fase no está definida en la hoja de singularidad. Crédito:Daniel Lim / Harvard SEAS
Cuando pensamos en singularidades, tendemos a pensar en agujeros negros masivos en galaxias lejanas o en un futuro lejano con IA desbocada, pero las singularidades nos rodean. Las singularidades son simplemente un lugar donde ciertos parámetros no están definidos. El polo norte y sur, por ejemplo, son lo que se conoce como singularidades de coordenadas porque no tienen una longitud definida.
Las singularidades ópticas ocurren típicamente cuando la fase de la luz con una longitud de onda específica, o color, es indefinido. Estas regiones aparecen completamente oscuras. Hoy dia, algunas singularidades ópticas, incluyendo vórtices ópticos, se están explorando para su uso en comunicaciones ópticas y manipulación de partículas, pero los científicos apenas están comenzando a comprender el potencial de estos sistemas. La pregunta sigue siendo:¿podemos aprovechar la oscuridad como aprovechamos la luz para construir ¿nuevas tecnologías?
Ahora, Investigadores de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas (SEAS) de Harvard John A. Paulson han desarrollado una nueva forma de controlar y dar forma a las singularidades ópticas. La técnica se puede utilizar para diseñar singularidades de muchas formas, mucho más allá de simples líneas curvas o rectas. Para demostrar su técnica, los investigadores crearon una hoja de singularidad en forma de corazón.
"Las técnicas de holografía convencionales son buenas para dar forma a la luz, pero lucho por dar forma a la oscuridad, "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. "Hemos demostrado ingeniería de singularidad bajo demanda, que abre un vasto conjunto de posibilidades en campos muy variados, desde técnicas de microscopía de superresolución hasta nuevas trampas atómicas y de partículas ".
La investigación se publica en Comunicaciones de la naturaleza .
El procedimiento de ingeniería de singularidad también se aplicó para crear singularidades más exóticas, como una hoja de singularidad de polarización. Aquí, las propiedades de polarización (por ejemplo, azimut de polarización, ángulo de elipticidad, e intensidad) del campo de luz estructurado experimental se compara con las predicciones numéricas. Crédito:Daniel Lim / Harvard SEAS
Capasso y su equipo utilizaron metasuperficies planas con nanopilares de formas precisas para dar forma a las singularidades.
"La metasuperficie inclina el frente de onda de la luz de una manera muy precisa sobre una superficie para que el patrón de interferencia de la luz transmitida produzca regiones extendidas de oscuridad, "dijo Daniel Lim, estudiante de posgrado en SEAS y primer autor del artículo. "Este enfoque nos permite diseñar con precisión regiones oscuras con un contraste notablemente alto".
Las singularidades diseñadas podrían usarse para atrapar átomos en regiones oscuras. Estas singularidades también podrían mejorar las imágenes de súper alta resolución. Si bien la luz solo se puede enfocar en regiones de aproximadamente la mitad de una longitud de onda (el límite de difracción) de tamaño, la oscuridad no tiene límite de difracción, lo que significa que se puede localizar en cualquier tamaño. Esto permite que la oscuridad interactúe con las partículas en escalas de longitud mucho más pequeñas que las longitudes de onda de la luz. Esto podría usarse para proporcionar información no solo sobre el tamaño y la forma de las partículas, sino también sobre su orientación.
Las singularidades diseñadas podrían extenderse más allá de las ondas de luz a otros tipos de ondas.
"También puede diseñar zonas muertas en ondas de radio o zonas silenciosas en ondas acústicas, ", dijo Lim." Esta investigación apunta a la posibilidad de diseñar topologías complejas en la física de ondas más allá de la óptica, de los haces de electrones a la acústica, "dijo Lim.
La Oficina de Desarrollo Tecnológico de Harvard ha protegido la propiedad intelectual relacionada con este proyecto y está explorando oportunidades de comercialización.
