Er is niets nieuws onder de zon - behalve misschien het licht zelf.

Over de afgelopen tien jaar, toegepaste fysici hebben nanogestructureerde materialen ontwikkeld die volledig nieuwe lichttoestanden kunnen produceren die vreemd gedrag vertonen, zoals buigen in een spiraal, kurkentrekker en verdelen als een vork.

Deze zogenaamde gestructureerde bundels kunnen wetenschappers niet alleen veel vertellen over de fysica van licht, ze hebben een breed scala aan toepassingen, van beeldvorming met superresolutie tot moleculaire manipulatie en communicatie.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences hebben een tool ontwikkeld om nieuwe, complexere lichttoestanden op een geheel andere manier.

Het onderzoek is gepubliceerd in Wetenschap .

"We hebben een meta-oppervlak ontwikkeld dat een nieuw hulpmiddel is om nieuwe aspecten van licht te bestuderen, " zei Federico Capasso, de Robert L. Wallace Professor of Applied Physics en Vinton Hayes Senior Research Fellow in Electrical Engineering bij SEAS en senior auteur van het artikel. "Deze optische component maakt veel complexere operaties mogelijk en stelt onderzoekers in staat om niet alleen nieuwe lichttoestanden te verkennen, maar ook nieuwe toepassingen voor gestructureerd licht."

Het Harvard Office of Technology Development heeft het intellectuele eigendom met betrekking tot dit project beschermd en onderzoekt de mogelijkheden voor commercialisering.

Het nieuwe meta-oppervlak verbindt twee aspecten van licht, bekend als orbitaal impulsmoment en circulaire polarisatie (of spinimpulsmomentum). Polarisatie is de richting waarlangs licht trilt. In circulair gepolariseerd licht, de trilling van licht volgt een cirkel. Denk aan orbitaal impulsmoment en circulaire polarisatie zoals de beweging van een planeet. Circulaire polarisatie is de richting waarin een planeet om zijn as draait, terwijl het baanmomentum beschrijft hoe de planeet om de zon draait.

Het feit dat licht zelfs orbitaal momentum kan dragen, is een relatief recente ontdekking - slechts ongeveer 25 jaar oud? - maar het is deze eigenschap van licht die vreemde nieuwe toestanden produceert, zoals balken in de vorm van kurkentrekkers.

Eerder onderzoek heeft de polarisatie van licht gebruikt om de grootte en vorm van deze exotische bundels te regelen, maar de verbinding was beperkt omdat alleen bepaalde polarisaties konden worden omgezet in bepaalde baanmomenten.

Dit onderzoek, echter, breidt die verbinding aanzienlijk uit.

"Dit meta-oppervlak geeft de meest algemene verbinding, via één apparaat, tussen het baanmomentum en de polarisatie van het licht dat tot nu toe is bereikt, " zei Robert Devlin, co-eerste auteur van de paper en voormalig afgestudeerde student in het Capasso Lab.

Het apparaat kan zo worden ontworpen dat elke ingangspolarisatie van licht kan resulteren in elke orbitale impulsmomentoutput - wat betekent dat elke polarisatie elk soort gestructureerd licht kan opleveren, van spiralen en kurkentrekkers tot draaikolken van elke grootte. En, het multifunctionele apparaat kan zo worden geprogrammeerd dat één polarisatie resulteert in één vortex en een andere polarisatie resulteert in een geheel andere vortex.

"Dit is een volledig nieuwe optische component, " zei Antonio Ambrosio, Principal Scientist bij Harvard Center for Nanoscale Systems (CNS) en co-eerste auteur van het artikel. "Sommige meta-oppervlakken zijn iteraties of efficiënter, compactere versies van bestaande optische apparaten, maar deze willekeurige spin-naar-orbitale conversie kan niet worden gedaan met een ander optisch apparaat. Er is ook niets in de natuur dat dit kan en deze toestanden van licht kan voortbrengen."

Een mogelijke toepassing ligt op het gebied van moleculaire manipulatie en optische pincetten, die licht gebruiken om moleculen te verplaatsen. Het orbitale momentum van licht is sterk genoeg om microscopisch kleine deeltjes te laten roteren en bewegen.

"Je kunt je voorstellen, als we het apparaat verlichten met één polarisatie van licht, het zal een kracht van een bepaald soort creëren, "zei Ambrosio. "Toen, als je de kracht wilt veranderen, het enige wat u hoeft te doen is de polarisatie van het binnenkomende licht te veranderen. De kracht is direct gerelateerd aan het ontwerp van het apparaat."

Een andere toepassing is high-powered imaging. Het zwarte gat in het midden van de vortex, bekend als het nullichtintensiteitsgebied, kan afbeeldingskenmerken kleiner zijn dan de diffractielimiet, dat is meestal de helft van de golflengte van licht. Door de polarisatie van licht te veranderen, de grootte van dit middengebied kan worden gewijzigd om objecten van verschillende grootte te focussen.

Maar deze stralen kunnen ook licht werpen op fundamentele vragen van de natuurkunde.

"Deze specifieke bundels zijn in de eerste plaats van fundamenteel wetenschappelijk belang, " zei Noach Rubin, co-eerste auteur van de paper en afgestudeerde student in het Capasso Lab. "Er is interesse in deze bundels in kwantumoptica en kwantuminformatie. Aan de meer toegepaste kant, deze stralen kunnen toepassing vinden in optische communicatie in de vrije ruimte, vooral in verstrooiende omgevingen waar dit meestal moeilijk is. Bovendien, recent is aangetoond dat soortgelijke elementen in lasers kunnen worden ingebouwd, direct produceren van deze nieuwe staten van licht. Dit kan leiden tot onvoorziene toepassingen."