Der Querschnitt des einzigartigen Blattes in Form eines Herzens. Der erweiterte dunkle Bereich im mittleren Bild ist ein Querschnitt des Singularitätsblatts. Die Stufe ist auf dem Singularitätsblatt nicht angegeben. Bildnachweis: Daniel Lim/Harvard SEAS

Wenn wir an Singularitäten denken, denken wir eher an supermassereiche Schwarze Löcher in fernen Galaxien oder an eine ferne Zukunft mit ungezügelter künstlicher Intelligenz, aber Singularitäten sind überall um uns herum. Singularitäten sind einfach Orte, an denen einige Parameter undefiniert sind. Nord- und Südpol beispielsweise sind sogenannte Koordinatensingularitäten, weil sie keine eindeutige Länge haben.

Optische Singularitäten treten typischerweise auf, wenn die Phase des Lichts einer bestimmten Wellenlänge oder Farbe nicht spezifiziert ist. Diese Bereiche erscheinen komplett dunkel. Heute werden einige optische Singularitäten, einschließlich optischer Wirbel, für den Einsatz in der optischen Kommunikation und Teilchenmanipulation erforscht, aber die Wissenschaftler beginnen erst, das Potenzial dieser Systeme zu verstehen. Die Frage bleibt: Können wir die Dunkelheit wie das Licht nutzen, um leistungsstarke neue Technologien zu entwickeln?

Forscher der Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) haben nun eine neue Methode zur Kontrolle und Formung optischer Singularitäten entwickelt. Diese Technik kann verwendet werden, um Singularitäten vieler Formen zu entwickeln, die über einfache gerade oder gekrümmte Linien hinausgehen. Um ihre Methode zu demonstrieren, erstellten die Forscher ein herzförmiges Singularitätspapier.

Das Singularitäts-Engineering-Verfahren wurde auch angewendet, um exotischere Singularitäten zu erzeugen, wie beispielsweise das Singularitäts-Polarisationsblatt. Dabei werden die Polarisationseigenschaften (wie Polarisationsazimut, Ellipsoidwinkel und Intensität) des experimentell strukturierten Lichtfeldes mit numerischen Vorhersagen verglichen. Bildnachweis: Daniel Lim/Harvard SEAS

Federico Capasso, Professor für Angewandte Physik Robert L. „Wir haben On-Demand-Singularity-Engineering demonstriert, das eine breite Palette von Möglichkeiten in großräumigen Feldern eröffnet, von ultraauflösenden Mikroskopietechniken bis hin zu neuartigen Atom- und Partikelfallen.“

Die Suche wurde veröffentlicht in Naturverbindungen.

Capasso und sein Team nutzten die flachen Oberflächen von Nanosäulen, um die Singularitäten zu bilden.

„Die Metaoberfläche kippt die Wellenfront des Lichts auf einer Oberfläche so präzise, ​​dass das Interferenzmuster des übertragenen Lichts ausgedehnte Bereiche der Dunkelheit erzeugt“, sagte Daniel Lim, ein SEAS-Absolvent und Erstautor der Forschungsarbeit. „Dieser Ansatz ermöglicht es uns, dunkle Bereiche mit deutlich hohem Kontrast präzise zu konstruieren.“

Um diese Singularitätsstrukturen experimentell zu erreichen, wurden Metaoberflächen verwendet, bei denen es sich um nanostrukturierte Oberflächen handelt, die Formen wie Nanosäulen (links) und Nanoflossen (rechts) enthalten. Das obige Bild zeigt rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen von Titandioxid-Nanostrukturen, die verwendet wurden, um die Lichtwellenfront bei der Herstellung von Singularitätsschichten präzise zu formen. Bildnachweis: Daniel Lim/Harvard SEAS

Generierte Singularitäten können verwendet werden, um Atome in dunklen Regionen einzufangen. Diese Singularitäten können auch die ultrahochauflösende Bildgebung verbessern. Während Licht nur auf Bereiche von etwa einer halben Wellenlänge (Beugungsgrenze) fokussiert werden kann, hat die Dunkelheit keine Beugungsgrenze, kann also auf jede beliebige Größe lokalisiert werden. Dies ermöglicht es der Dunkelheit, mit Partikeln auf Skalen von viel kleineren Wellenlängen als Licht zu interagieren. Damit können nicht nur Informationen über Größe und Form der Partikel, sondern auch über deren Orientierung gewonnen werden.

Entwickelte Singularitäten können sich über Lichtwellen hinaus auf andere Arten von Wellen ausdehnen.

„Sie können auch tote Zonen in Funkwellen oder stumme Zonen in Schallwellen erstellen“, sagte Lim. „Diese Forschung weist auf die Möglichkeit hin, komplexe Topologien in der Wellenphysik anders als in der Optik zu entwerfen, von Elektronenstrahlen bis zur Akustik.“

Referenz: „Geometry Phase Uniqueness and Polarization Papers“ Von Soon Wei Daniel Lim, John Suh Park, Marina El Meritska, Ahmed H. Dora und Federico Capasso, 7. Juli 2021 Hier erhältlich. Naturverbindungen.
DOI: 10.1038 / s41467-021-24493-y

Das Office of Technology Development der Harvard University hat das geistige Eigentum im Zusammenhang mit diesem Projekt geschützt und prüft Kommerzialisierungsmöglichkeiten.

Das Papier wurde gemeinsam von Joon-Suh Park, Maryna L. Meretska und Ahmed H. Dora. Es wurde teilweise vom Air Force Office of Scientific Research unter der Vergabenummer FA9550-19-1-0135 und vom Office of Naval Research (ONR) unter der Vergabenummer N00014-20-1-2450 unterstützt.