Sección transversal de hoja de singularidad de fase proyectada en forma de corazón. La región oscura extendida en la imagen central es una sección transversal de la hoja de singularidad. La fase no está definida en la hoja de singularidad. Crédito: Daniel Lim / Harvard SEAS

Cuando pensamos en singularidades, tendemos a pensar en agujeros negros masivos en galaxias distantes o en un futuro lejano con IA desbocada, pero las singularidades están a nuestro alrededor. Las singularidades son simplemente un lugar donde ciertos parámetros no están definidos. El Polo Norte y el Polo Sur, por ejemplo, se conocen como singularidades coordinadas porque no tienen una longitud definida.

Las singularidades ópticas generalmente ocurren cuando la fase de la luz con una longitud de onda o color específico no está definida. Estas regiones se ven completamente oscuras. Hoy en día, se están explorando algunas singularidades ópticas, incluidos los vórtices ópticos, para su uso en comunicaciones ópticas y manipulación de partículas, pero los científicos apenas están comenzando a comprender el potencial de estos sistemas. La pregunta sigue siendo: ¿podemos aprovechar la oscuridad como aprovechamos la luz para construir nuevas tecnologías poderosas?

Ahora, los investigadores de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Harvard John A. Paulson (SEAS) han desarrollado una nueva forma de controlar y dar forma a las singularidades ópticas. La técnica se puede utilizar para proyectar singularidades de muchas formas, mucho más allá de simples líneas curvas o rectas. Para demostrar su técnica, los investigadores crearon una hoja de singularidad en forma de corazón.

El procedimiento de ingeniería de singularidad también se aplicó para crear singularidades más exóticas, como una hoja de singularidad de polarización. Aquí, las propiedades de polarización (por ejemplo, acimut de polarización, ángulo de elipticidad e intensidad) del campo de luz experimental estructurado se comparan con predicciones numéricas. Crédito: Daniel Lim / Harvard SEAS

«Las técnicas de holografía convencionales son buenas para dar forma a la luz, pero luchan por dar forma a la oscuridad», dijo Federico Capasso, profesor de física aplicada Robert L. Wallace y Vinton Hayes, investigador principal de ingeniería eléctrica en SEAS y autor principal del artículo. “Demostramos ingeniería de singularidad bajo demanda, que abre una amplia gama de posibilidades en amplios campos, desde técnicas de microscopía de súper resolución hasta nuevas trampas atómicas y de partículas”.

La investigación se publica en Comunicaciones de la naturaleza.

Capasso y su equipo utilizaron metasuperficies planas con nanopilares de forma precisa para dar forma a las singularidades.

«La metasuperficie dobla el frente de onda de luz con mucha precisión sobre la superficie de modo que el patrón de interferencia de la luz transmitida produce extensas regiones de oscuridad», dijo Daniel Lim, estudiante graduado de SEAS y primer autor del artículo. «Este enfoque nos permite proyectar con precisión regiones oscuras con un contraste notablemente alto».

Las metauperficies, que son superficies nanoestructuradas que contienen formas como nanopilares (izquierda) y nanofinas (derecha), se emplearon para realizar experimentalmente estas estructuras de singularidad. La imagen de arriba muestra imágenes de microscopía electrónica de barrido de nanoestructuras de dióxido de titanio que se utilizaron para dar forma con precisión al frente de onda de luz en la producción de láminas de singularidad. Crédito: Daniel Lim / Harvard SEAS

Las singularidades proyectadas se pueden utilizar para capturar átomos en regiones oscuras. Estas singularidades también pueden mejorar la imagen de súper alta resolución. Si bien la luz solo se puede enfocar en regiones de aproximadamente la mitad de una longitud de onda (el límite de difracción) de tamaño, la oscuridad no tiene límite de difracción, lo que significa que se puede ubicar en cualquier tamaño. Esto permite que la oscuridad interactúe con partículas en escalas de longitud mucho más pequeñas que las longitudes de onda de la luz. Esto podría usarse para proporcionar información no solo sobre el tamaño y la forma de las partículas, sino también sobre su orientación.

Las singularidades proyectadas pueden extenderse más allá de las ondas de luz a otros tipos de ondas.

«También se pueden diseñar zonas muertas en ondas de radio o zonas silenciosas en ondas acústicas», dijo Lim. «Esta investigación apunta a la posibilidad de diseñar topologías complejas en la física de ondas más allá de la óptica, desde los haces de electrones hasta la acústica».

Referencia: “Hojas de singularidad de polarización y fases de ingeniería” de Soon Wei Daniel Lim, Joon-Suh Park, Maryna L. Meretska, Ahmed H. Dorrah y Federico Capasso, 7 de julio de 2021, Comunicaciones de la naturaleza.
DOI: 10.1038 / s41467-021-24493-y

La Oficina de Desarrollo Tecnológico de Harvard ha protegido la propiedad intelectual relacionada con este proyecto y está explorando oportunidades de comercialización.

La investigación fue coautora de Joon-Suh Park, Maryna L. Meretska y Ahmed H. Dorrah. Fue apoyado en parte por la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea con el número de premio FA9550-191-0135 y por la Oficina de Investigación Naval (ONR) con el número de premio N00014-20-1-2450.