Sezione trasversale del foglio di singolarità di fase a forma di cuore progettato. La regione scura estesa nell'immagine centrale è una sezione trasversale del foglio di singolarità. La fase è indefinita sul foglio di singolarità. Credito:Daniel Lim/Harvard SEAS
Quando pensiamo alle singolarità, tendiamo a pensare a enormi buchi neri in galassie lontane o a un futuro lontano con un'IA in fuga, ma le singolarità sono tutte intorno a noi. Le singolarità sono semplicemente un luogo in cui alcuni parametri non sono definiti. Il Polo Nord e il Polo Sud, Per esempio, sono le cosiddette singolarità coordinate perché non hanno una longitudine definita.
Le singolarità ottiche si verificano tipicamente quando la fase della luce con una lunghezza d'onda specifica, o colore, è indefinito. Queste regioni appaiono completamente scure. Oggi, alcune singolarità ottiche, compresi i vortici ottici, vengono esplorati per l'uso nelle comunicazioni ottiche e nella manipolazione delle particelle, ma gli scienziati stanno appena iniziando a comprendere il potenziale di questi sistemi. La domanda rimane:possiamo sfruttare l'oscurità come abbiamo sfruttato la luce per costruire potenti, nuove tecnologie?
Ora, i ricercatori della Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) hanno sviluppato un nuovo modo per controllare e modellare le singolarità ottiche. La tecnica può essere utilizzata per progettare singolarità di molte forme, ben oltre le semplici linee curve o rette. Per dimostrare la loro tecnica, i ricercatori hanno creato un foglio di singolarità a forma di cuore.
"Le tecniche olografiche convenzionali sono ottime per modellare la luce, ma lotta per plasmare l'oscurità, " disse Federico Capasso, il Robert L. Wallace Professor of Applied Physics e Vinton Hayes Senior Research Fellow in Electrical Engineering presso SEAS e autore senior del documento. "Abbiamo dimostrato l'ingegneria della singolarità su richiesta, che apre una vasta gamma di possibilità in campi di ampio respiro, dalle tecniche di microscopia a super risoluzione alle nuove trappole atomiche e di particelle".
La ricerca è pubblicata su Comunicazioni sulla natura .
La procedura ingegneristica della singolarità è stata applicata anche per creare singolarità più esotiche, come un foglio di singolarità di polarizzazione. Qui, le proprietà di polarizzazione (es. azimut di polarizzazione, angolo di ellitticità, e intensità) del campo di luce strutturato sperimentale viene confrontato con le previsioni numeriche. Credito:Daniel Lim/Harvard SEAS
Capasso e il suo team hanno utilizzato metasuperfici piatte con nanopilastri di forma precisa per modellare le singolarità.
"La metasuperficie inclina il fronte d'onda della luce in modo molto preciso su una superficie in modo che il modello di interferenza della luce trasmessa produca estese regioni di oscurità, " ha detto Daniel Lim, uno studente laureato presso SEAS e primo autore del documento. "Questo approccio ci consente di progettare con precisione le regioni scure con un contrasto notevolmente elevato".
Le singolarità ingegnerizzate potrebbero essere utilizzate per intrappolare gli atomi nelle regioni scure. Queste singolarità potrebbero anche migliorare l'imaging ad altissima risoluzione. Mentre la luce può essere focalizzata solo su regioni di circa metà lunghezza d'onda (il limite di diffrazione) in termini di dimensioni, l'oscurità non ha limiti di diffrazione, il che significa che può essere localizzato in qualsiasi dimensione. Ciò consente all'oscurità di interagire con le particelle su scale di lunghezza molto più piccole delle lunghezze d'onda della luce. Questo potrebbe essere usato per fornire informazioni non solo sulla dimensione e la forma delle particelle, ma anche sul loro orientamento.
Le singolarità ingegnerizzate potrebbero estendersi oltre le onde di luce ad altri tipi di onde.
"Puoi anche progettare zone morte in onde radio o zone silenziose in onde acustiche, " ha detto Lim. "Questa ricerca punta alla possibilità di progettare topologie complesse nella fisica delle onde oltre l'ottica, dai fasci di elettroni all'acustica, " disse Lime.
L'Harvard Office of Technology Development ha protetto la proprietà intellettuale relativa a questo progetto e sta esplorando opportunità di commercializzazione.
