Optik tekillikler çok çeşitli uygulamalar için kullanılabilir

Kalp şeklinde tasarlanmış eşsiz yaprağın kesiti. Merkezi görüntüdeki genişletilmiş karanlık alan, tekillik sayfasının bir kesitidir. Aşama, tekillik sayfasında belirtilmemiştir. Kredi: Daniel Lim/Harvard SEAS

Tekillikleri düşündüğümüzde, uzak galaksilerdeki süper kütleli kara delikleri veya dizginsiz yapay zekaya sahip uzak bir geleceği düşünme eğilimindeyiz, ancak tekillikler her yerdedir. Tekillikler basitçe bazı parametrelerin tanımsız olduğu bir yerdir. Örneğin, Kuzey ve Güney Kutbu, belirli bir boylamları olmadığı için koordinat tekillikleri olarak bilinir.

Optik tekillikler, tipik olarak, belirli bir dalga boyunun veya rengin ışığın fazı belirtilmediğinde ortaya çıkar. Bu alanlar tamamen karanlık görünür. Bugün, optik girdaplar da dahil olmak üzere bazı optik tekillikler, optik iletişim ve parçacık manipülasyonunda kullanım için araştırılıyor, ancak bilim adamları bu sistemlerin potansiyelini daha yeni anlamaya başlıyor. Soru şu: Güçlü yeni teknolojiler inşa etmek için ışıktan yararlandığımız gibi karanlığı da kullanabilir miyiz?

Şimdi, Harvard John A. Paulson Mühendislik ve Uygulamalı Bilimler Okulu’ndan (SEAS) araştırmacılar, optik tekillikleri kontrol etmek ve şekillendirmek için yeni bir yöntem geliştirdiler. Bu teknik, basit düz veya eğri çizgilerin ötesinde birçok şeklin tekilliklerini oluşturmak için kullanılabilir. Yöntemlerini göstermek için araştırmacılar kalp şeklinde bir tekillik kağıdı oluşturdular.

Tekillik mühendisliği prosedürü, tekillik polarizasyon sayfası gibi daha egzotik tekillikler yaratmak için de uygulanmıştır. Burada, deneysel olarak yapılandırılmış ışık alanının polarizasyon özellikleri (polarizasyon azimutu, elipsoid açısı ve yoğunluğu gibi) sayısal tahminlerle karşılaştırılır. Kredi: Daniel Lim/Harvard SEAS

Federico Capasso, Uygulamalı Fizik Profesörü Robert L. “Ultra çözünürlüklü mikroskopi tekniklerinden yeni atomik ve parçacık tuzaklarına kadar geniş ölçekli alanlarda geniş bir olasılık yelpazesi açan isteğe bağlı tekillik mühendisliğini gösterdik.”

Arama yayınlandı Doğa Bağlantıları.

Capasso ve ekibi, tekillikleri oluşturmak için nanosütunların düz yüzeylerini kullandı.

SEAS yüksek lisans öğrencisi ve araştırma makalesinin ilk yazarı Daniel Lim, “Meta yüzey, ışığın dalga cephesini bir yüzey üzerinde o kadar hassas bir şekilde eğiyor ki, iletilen ışığın girişim deseni geniş karanlık bölgeler üretiyor” dedi. “Bu yaklaşım, önemli ölçüde yüksek kontrastlı karanlık alanları hassas bir şekilde tasarlamamızı sağlıyor.”

Bu tekillik yapılarını deneysel olarak elde etmek için nano sütunlar (solda) ve nano kanatçıklar (sağda) gibi şekiller içeren nano yapılı yüzeyler olan metayüzeyler kullanıldı. Yukarıdaki görüntü, tekillik levhalarının üretiminde ışık dalga cephesini hassas bir şekilde şekillendirmek için kullanılmış olan titanyum dioksit nanoyapılarının taramalı elektron mikroskobu görüntülerini göstermektedir. Kredi: Daniel Lim/Harvard SEAS

Karanlık bölgelerde atomları hapsetmek için tasarlanmış tekillikler kullanılabilir. Bu tekillikler, ultra yüksek çözünürlüklü görüntülemeyi de iyileştirebilir. Işık yalnızca boyut olarak yaklaşık yarım dalga boyundaki alanlara (kırınım sınırı) odaklanabilirken, karanlığın herhangi bir boyuta yerleştirilebileceği anlamına gelen herhangi bir kırılma sınırı yoktur. Bu, karanlığın ışıktan çok daha küçük dalga boylarındaki ölçeklerde parçacıklarla etkileşime girmesine izin verir. Bu, yalnızca parçacıkların boyutu ve şekli hakkında değil, aynı zamanda yönelimleri hakkında da bilgi sağlamak için kullanılabilir.

Tasarlanmış tekillikler, ışık dalgalarının ötesine, diğer dalga türlerine kadar uzanabilir.

Lim, “Ayrıca radyo dalgalarında ölü bölgeler veya ses dalgalarında sessiz bölgeler oluşturabilirsiniz” dedi. “Bu araştırma, elektron ışınlarından akustiğe kadar optik dışındaki dalga fiziğinde karmaşık topolojiler tasarlama olasılığına işaret ediyor.”

Referans: “Geometry Phase Uniqueness and Polarization Papers” Yakında Wei Daniel Lim, John Suh Park, Marina El Meritska, Ahmed H. Dora ve Federico Capasso, 7 Temmuz 2021 Buradan ulaşabilirsiniz. Doğa Bağlantıları.
DOI: 10.1038 / s41467-021-24493-y

Harvard Üniversitesi Teknoloji Geliştirme Ofisi, bu projeyle ilgili fikri mülkiyeti korumuştur ve ticarileştirme fırsatlarını araştırmaktadır.

Makale Joon-Suh Park, Maryna L. Meretska ve Ahmed H. İnci. Kısmen Hava Kuvvetleri Bilimsel Araştırma Ofisi tarafından FA9550- 19-1-0135 ödül numarasıyla ve Deniz Araştırmaları Ofisi (ONR) tarafından N00014-20-1-2450 ödül numarasıyla desteklenmiştir.