As singularidades ópticas podem ser usadas para uma ampla variedade de aplicações

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A seção transversal da folha única desenhada em forma de coração. A área escura estendida na imagem central é uma seção transversal da folha de singularidade. O estágio não é especificado na folha de singularidade. Crédito: Daniel Lim / Harvard SEAS

Quando pensamos em singularidades, tendemos a pensar em buracos negros supermassivos em galáxias distantes ou em um futuro distante com inteligência artificial desenfreada, mas as singularidades estão ao nosso redor. Singularidades são simplesmente um lugar onde alguns parâmetros são indefinidos. O Pólo Norte e o Pólo Sul, por exemplo, são o que se conhece como singularidades coordenadas porque não têm longitude definida.

As singularidades ópticas normalmente ocorrem quando a fase da luz de um comprimento de onda ou cor específica não é especificada. Essas áreas parecem completamente escuras. Hoje, algumas singularidades ópticas, incluindo vórtices ópticos, estão sendo exploradas para uso em comunicações ópticas e manipulação de partículas, mas os cientistas estão apenas começando a entender o potencial desses sistemas. A questão permanece – podemos aproveitar as trevas como aproveitamos a luz para construir novas tecnologias poderosas?

Agora, pesquisadores da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas de Harvard John A. Paulson (SEAS) desenvolveram um novo método para controlar e modelar singularidades ópticas. Essa técnica pode ser usada para projetar singularidades de muitas formas, além de simples linhas retas ou curvas. Para demonstrar seu método, os pesquisadores criaram um artigo de singularidade em forma de coração.

Propriedades de polarização

O procedimento de engenharia de singularidade também foi aplicado para criar singularidades mais exóticas, como a folha de polarização de singularidade. Aqui, as propriedades de polarização (como azimute de polarização, ângulo de elipsóide e intensidade) do campo de luz experimentalmente estruturado são comparadas com as previsões numéricas. Crédito: Daniel Lim / Harvard SEAS

Federico Capasso, Professor de Física Aplicada Robert L. “Demonstramos engenharia de singularidade sob demanda, que abre uma ampla gama de possibilidades em campos de grande escala, de técnicas de microscopia de ultra-resolução a novas armadilhas atômicas e de partículas.”

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A pesquisa foi publicada em Nature Connections.

Capasso e sua equipe usaram as superfícies planas de nanopilares para formar as singularidades.

“A metassuperfície inclina a frente de onda da luz de uma forma tão precisa em uma superfície que o padrão de interferência da luz transmitida produz regiões extensas de escuridão”, disse Daniel Lim, um estudante graduado do SEAS e primeiro autor do artigo de pesquisa. “Esta abordagem nos permite projetar com precisão áreas escuras com contraste significativamente alto.”

Metasurfaces Nanopillars Nanofins

Metasurfaces, que são superfícies nanoestruturadas contendo formas como nanopilares (à esquerda) e nanofins (à direita), foram usadas para atingir experimentalmente essas estruturas de singularidade. A imagem acima mostra imagens de microscopia eletrônica de varredura de nanoestruturas de dióxido de titânio que foram usadas para moldar com precisão a frente de onda de luz na produção de folhas de singularidade. Crédito: Daniel Lim / Harvard SEAS

Singularidades projetadas podem ser usadas para capturar átomos em regiões escuras. Essas singularidades também podem melhorar a imagem de ultra-alta resolução. Enquanto a luz só pode ser focada em áreas com cerca de meio comprimento de onda de tamanho (o limite de difração), a escuridão não tem limite de difração, o que significa que pode ser localizada em qualquer tamanho. Isso permite que a escuridão interaja com as partículas em escalas de comprimentos de onda muito menores do que a luz. Isso pode ser usado para fornecer informações não apenas sobre o tamanho e a forma das partículas, mas também sobre sua orientação.

As singularidades projetadas podem se estender além das ondas de luz para outros tipos de ondas.

“Você também pode criar zonas mortas em ondas de rádio ou zonas silenciosas em ondas sonoras”, disse Lim. “Esta pesquisa aponta para a possibilidade de projetar topologias complexas em física de ondas além da óptica, de feixes de elétrons à acústica.”

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Referência: “Artigos de polarização e exclusividade de fase de geometria” De Soon Wei Daniel Lim, John Suh Park, Marina El Meritska, Ahmed H. Dora e Federico Capasso, 7 de julho de 2021 Disponível aqui. Nature Connections.
DOI: 10.1038 / s41467-021-24493-y

O Escritório de Desenvolvimento de Tecnologia da Universidade de Harvard protegeu a propriedade intelectual relacionada a este projeto e está explorando oportunidades de comercialização.

O artigo foi coautor de Joon-Suh Park, Maryna L. Meretska e Ahmed H. Dora. Foi apoiado em parte pelo Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea sob o número de prêmio FA9550-191-0135 e pelo Escritório de Pesquisa Naval (ONR) sob o número de prêmio N00014-20-1-2450.

Annaliese Franke

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