Le singolarità ottiche possono essere utilizzate per un’ampia varietà di applicazioni

Quando pensiamo alle singolarità, tendiamo a pensare a buchi neri supermassicci in galassie lontane o a un futuro lontano con un’intelligenza artificiale sfrenata, 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 di una specifica lunghezza d’onda o colore non è specificata. Queste aree appaiono completamente scure. Oggi, alcune singolarità ottiche, compresi i vortici ottici, vengono esplorate per l’uso nelle comunicazioni ottiche e nella manipolazione delle particelle, ma gli scienziati stanno solo iniziando a capire il potenziale di questi sistemi. La domanda rimane: possiamo sfruttare l’oscurità come sfruttiamo la luce per costruire nuove potenti tecnologie?

Ora, i ricercatori della John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) di Harvard hanno sviluppato un nuovo metodo per controllare e modellare le singolarità ottiche. Questa tecnica può essere utilizzata per progettare singolarità di molte forme, al di là delle semplici linee rette o curve. Per dimostrare il loro metodo, i ricercatori hanno creato un documento sulla singolarità a forma di cuore.

La procedura di ingegneria della singolarità è stata applicata anche per creare singolarità più esotiche, come il foglio di polarizzazione della singolarità. Qui, le proprietà di polarizzazione (come l’azimut di polarizzazione, l’angolo dell’ellissoide e l’intensità) del campo di luce strutturato sperimentalmente vengono confrontate con le previsioni numeriche. Credito: Daniel Lim/Harvard SEAS

Federico Capasso, Professore di Fisica Applicata Robert L. “Abbiamo dimostrato l’ingegneria della singolarità su richiesta, che apre un’ampia gamma di possibilità in campi su larga scala, dalle tecniche di microscopia ad ultra-risoluzione alle nuove trappole atomiche e di particelle”.

La ricerca è stata pubblicata in Connessioni con la natura.

Capasso e il suo team hanno utilizzato le superfici piatte dei nanopillar per formare le singolarità.

“La metasuperficie inclina il fronte d’onda della luce in modo così preciso su una superficie che il modello di interferenza della luce trasmessa produce estese regioni di oscurità”, ha affermato Daniel Lim, uno studente laureato SEAS e primo autore del documento di ricerca. “Questo approccio ci consente di progettare con precisione le aree scure con un contrasto significativamente elevato”.

Le metasuperfici, che sono superfici nanostrutturate contenenti forme come nanopilastri (a sinistra) e nanopinne (a destra), sono state utilizzate per ottenere sperimentalmente queste strutture di singolarità. L’immagine sopra mostra immagini al microscopio elettronico a scansione di nanostrutture di biossido di titanio che sono state utilizzate per modellare con precisione il fronte d’onda della luce nella produzione di fogli di singolarità. Credito: Daniel Lim/Harvard SEAS

Le singolarità ingegnerizzate possono essere utilizzate per intrappolare gli atomi nelle regioni scure. Queste singolarità possono anche migliorare l’imaging ad altissima risoluzione. Mentre la luce può essere focalizzata solo su aree di dimensioni di circa mezza lunghezza d’onda (il limite di diffrazione), l’oscurità non ha limiti di diffrazione, il che significa che può essere localizzata a qualsiasi dimensione. Ciò consente all’oscurità di interagire con le particelle su scale di lunghezze d’onda molto più piccole della luce. Questo può essere utilizzato per fornire informazioni non solo sulla dimensione e la forma delle particelle, ma anche sul loro orientamento.

Le singolarità ingegnerizzate possono estendersi oltre le onde luminose ad altri tipi di onde.

“Puoi anche progettare zone morte nelle onde radio o zone silenziose nelle onde sonore”, ha detto Lim. “Questa ricerca indica la possibilità di progettare topologie complesse nella fisica delle onde diverse dall’ottica, dai fasci di elettroni all’acustica”.

Riferimento: “Documenti sull’unicità della fase geometrica e sulla polarizzazione” di Soon Wei Daniel Lim, John Suh Park, Marina El Meritska, Ahmed H. Dora e Federico Capasso, 7 luglio 2021 Disponibile qui. Connessioni con la natura.
DOI: 10.1038 / s41467-021-24493-y

L’Office of Technology Development dell’Università di Harvard ha protetto la proprietà intellettuale relativa a questo progetto e sta esplorando opportunità di commercializzazione.

Il documento è stato co-autore di Joon-Suh Park, Maryna L. Meretska e Ahmed H. Dora. È stato sostenuto in parte dall’Ufficio per la ricerca scientifica dell’aeronautica con il numero di premio FA9550-19-1-0135 e dall’Ufficio per la ricerca navale (ONR) con il numero di premio N00014-20-1-2450.