Οι οπτικές ιδιαιτερότητες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για μια μεγάλη ποικιλία εφαρμογών

Όταν σκεφτόμαστε μοναδικότητες, τείνουμε να σκεφτόμαστε υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες σε απομακρυσμένους γαλαξίες ή ένα μακρινό μέλλον με ανεξέλεγκτη τεχνητή νοημοσύνη, αλλά οι μοναδικότητες βρίσκονται γύρω μας. Οι ιδιαιτερότητες είναι απλά ένα μέρος όπου ορισμένες παράμετροι δεν είναι καθορισμένες. Ο Βόρειος και ο Νότιος Πόλος, για παράδειγμα, είναι αυτό που είναι γνωστό ως μοναδικότητα συντεταγμένων επειδή δεν έχουν συγκεκριμένο μήκος.

Οι οπτικές ιδιαιτερότητες συμβαίνουν συνήθως όταν δεν προσδιορίζεται η φάση του φωτός ενός συγκεκριμένου μήκους κύματος ή χρώματος. Αυτές οι περιοχές φαίνονται εντελώς σκοτεινές. Σήμερα, ορισμένες οπτικές ιδιαιτερότητες, συμπεριλαμβανομένων των οπτικών στροφών, διερευνούνται για χρήση σε οπτικές επικοινωνίες και χειρισμό σωματιδίων, αλλά οι επιστήμονες μόλις αρχίζουν να κατανοούν τις δυνατότητες αυτών των συστημάτων. Το ερώτημα παραμένει – μπορούμε να αξιοποιήσουμε το σκοτάδι σαν να εκμεταλλευτούμε το φως για να χτίσουμε ισχυρές νέες τεχνολογίες;

Τώρα, ερευνητές από το Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) έχουν αναπτύξει μια νέα μέθοδο για τον έλεγχο και τη διαμόρφωση οπτικών ιδιομορφιών. Αυτή η τεχνική μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον σχεδιασμό μοναδικότητας πολλών σχημάτων, πέρα ​​από απλές ευθείες ή καμπύλες γραμμές. Για να αποδείξουν τη μέθοδο τους, οι ερευνητές δημιούργησαν ένα χαρτί μοναδικότητας σε σχήμα καρδιάς.

Η διαδικασία μηχανικής μοναδικότητας έχει επίσης εφαρμοστεί για τη δημιουργία περισσότερων εξωτικών ιδιοτήτων, όπως το φύλλο πόλωσης της μοναδικότητας. Εδώ, οι ιδιότητες πόλωσης (όπως το αζιμούθιο πόλωσης, η ελλειψοειδή γωνία και η ένταση) του πειραματικά δομημένου πεδίου φωτός συγκρίνονται με αριθμητικές προβλέψεις. Πίστωση: Daniel Lim / Harvard SEAS

Federico Capasso, Καθηγητής Εφαρμοσμένης Φυσικής Robert L. “Έχουμε δείξει την κατ ‘απαίτηση μοναδικότητα, η οποία ανοίγει ένα ευρύ φάσμα δυνατοτήτων σε πεδία μεγάλης κλίμακας, από τεχνικές μικροσκοπίας υψηλής ανάλυσης έως νέες ατομικές και σωματιδιακές παγίδες.”

Η αναζήτηση δημοσιεύτηκε στις Φύση Συνδέσεις.

Ο Capasso και η ομάδα του χρησιμοποίησαν τις επίπεδες επιφάνειες των νανοπολλών για να σχηματίσουν τις ιδιαιτερότητες.

“Η επιφάνεια του μέτρου γέρνει το κύμα του φωτός με τόσο ακριβή τρόπο σε μια επιφάνεια που το μοτίβο παρεμβολών του μεταδιδόμενου φωτός παράγει εκτεταμένες περιοχές σκοταδιού”, δήλωσε ο Ντάνιελ Λιμ, μεταπτυχιακός φοιτητής της SEAS και πρώτος συγγραφέας του ερευνητικού εγγράφου. “Αυτή η προσέγγιση μας επιτρέπει να σχεδιάζουμε με ακρίβεια σκοτεινές περιοχές με πολύ υψηλή αντίθεση.”

Metasurfaces, οι οποίες είναι νανοδομημένες επιφάνειες που περιέχουν σχήματα όπως nanopillars (αριστερά) και nanofins (δεξιά), χρησιμοποιήθηκαν για την επίτευξη πειραματικά αυτών των δομών μοναδικότητας. Η παραπάνω εικόνα δείχνει σάρωση ηλεκτρονικών μικροσκοπικών εικόνων από νανοδομές διοξειδίου του τιτανίου που χρησιμοποιήθηκαν για να διαμορφώσουν με ακρίβεια το φως του κύματος στην παραγωγή φύλλων μοναδικότητας. Πίστωση: Daniel Lim / Harvard SEAS

Οι μηχανικές ιδιαιτερότητες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παγίδευση ατόμων σε σκοτεινές περιοχές. Αυτές οι ιδιαιτερότητες μπορούν επίσης να βελτιώσουν την απεικόνιση εξαιρετικά υψηλής ανάλυσης. Ενώ το φως μπορεί να εστιαστεί μόνο σε περιοχές μήκους περίπου μισού κύματος (το όριο διάθλασης), το σκοτάδι δεν έχει όριο περίθλασης, που σημαίνει ότι μπορεί να εντοπιστεί σε οποιοδήποτε μέγεθος. Αυτό επιτρέπει στο σκοτάδι να αλληλεπιδρά με σωματίδια σε κλίμακες πολύ μικρότερων μηκών κύματος από το φως. Αυτό μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παροχή πληροφοριών σχετικά με όχι μόνο το μέγεθος και το σχήμα των σωματιδίων αλλά και τον προσανατολισμό τους.

Οι μηχανικές ιδιαιτερότητες μπορούν να επεκταθούν πέρα ​​από τα κύματα φωτός σε άλλους τύπους κυμάτων.

“Μπορείτε επίσης να σχεδιάσετε νεκρές ζώνες σε ραδιοκύματα ή σιωπηλές ζώνες σε ηχητικά κύματα”, δήλωσε ο Λι. “Αυτή η έρευνα επισημαίνει τη δυνατότητα σχεδιασμού σύνθετων τοπολογιών στη φυσική των κυμάτων εκτός από την οπτική, από δέσμες ηλεκτρονίων έως ακουστική.”

Αναφορά: «Έγγραφα μοναδικότητας και πόλωσης της γεωμετρίας» των Soon Wei Daniel Lim, John Suh Park, Marina El Meritska, Ahmed H. Dora και Federico Capasso, 7 Ιουλίου 2021 Διαθέσιμο εδώ. Φύση Συνδέσεις.
DOI: 10.1038 / s41467-021-24493-ε

Το Γραφείο Ανάπτυξης Τεχνολογίας του Πανεπιστημίου του Χάρβαρντ έχει προστατεύσει την πνευματική ιδιοκτησία που σχετίζεται με αυτό το έργο και διερευνά ευκαιρίες εμπορευματοποίησης.

Η εφημερίδα συν-συγγραφέας των Joon-Suh Park, Maryna L. Meretska και Ahmed H. Ντόρα. Υποστηρίχθηκε εν μέρει από το Γραφείο Επιστημονικής Έρευνας Πολεμικής Αεροπορίας με αριθμό βραβείου FA9550- 19-1-0135 και από το Γραφείο Ναυτικής Έρευνας (ONR) με αριθμό βραβείου N00014-20-1-2450.