Als we denken aan singulariteiten, we hebben de neiging om te denken aan massieve zwarte gaten in verre sterrenstelsels of een verre toekomst met op hol geslagen AI, maar singulariteiten zijn overal om ons heen. Singulariteiten zijn gewoon een plaats waar bepaalde parameters niet gedefinieerd zijn. De Noord- en Zuidpool, bijvoorbeeld, zijn wat bekend staat als coördinaat-singulariteiten omdat ze geen gedefinieerde lengtegraad hebben.

Optische singulariteiten treden meestal op wanneer de fase van licht met een specifieke golflengte, of kleur, is ongedefinieerd. Deze gebieden lijken volledig donker. Vandaag, enkele optische singulariteiten, inclusief optische wervels, worden onderzocht voor gebruik in optische communicatie en deeltjesmanipulatie, maar wetenschappers beginnen net het potentieel van deze systemen te begrijpen. De vraag blijft:kunnen we duisternis gebruiken zoals we licht gebruikten om krachtige, nieuwe technologie?

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) hebben een nieuwe manier ontwikkeld om optische singulariteiten te controleren en vorm te geven. De techniek kan worden gebruikt om singulariteiten van vele vormen te ontwerpen, veel verder dan eenvoudige gebogen of rechte lijnen. Om hun techniek te demonstreren, de onderzoekers maakten een singulariteitsblad in de vorm van een hart.

"Conventionele holografische technieken zijn goed in het vormgeven van licht, maar strijd om de duisternis vorm te geven, " 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. "We hebben on-demand singulariteitsengineering gedemonstreerd, die een enorm scala aan mogelijkheden opent op uiteenlopende gebieden, van superresolutiemicroscopietechnieken tot nieuwe atomaire en deeltjesvallen."

Het onderzoek is gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

Capasso en zijn team gebruikten platte meta-oppervlakken met nauwkeurig gevormde nanopilaren om de singulariteiten vorm te geven.

"Het meta-oppervlak kantelt het golffront van licht op een zeer precieze manier over een oppervlak, zodat het interferentiepatroon van het doorgelaten licht uitgebreide gebieden van duisternis produceert, " zei Daniël Lim, een afgestudeerde student aan SEAS en eerste auteur van het papier. "Deze aanpak stelt ons in staat om donkere gebieden met een opmerkelijk hoog contrast nauwkeurig te bewerken."

Gemanipuleerde singulariteiten zouden kunnen worden gebruikt om atomen in donkere gebieden te vangen. Deze singulariteiten zouden ook de beeldvorming met superhoge resolutie kunnen verbeteren. Hoewel licht alleen kan worden gefocust op gebieden met een grootte van ongeveer een halve golflengte (de diffractielimiet), duisternis heeft geen diffractielimiet, wat betekent dat het op elke grootte kan worden gelokaliseerd. Hierdoor kan duisternis interageren met deeltjes over lengteschalen die veel kleiner zijn dan de golflengten van licht. Dit zou kunnen worden gebruikt om informatie te verschaffen over niet alleen de grootte en de vorm van de deeltjes, maar ook hun oriëntatie.

Gemanipuleerde singulariteiten zouden voorbij lichtgolven kunnen reiken naar andere soorten golven.

"Je kunt ook dode zones in radiogolven of stille zones in akoestische golven ontwerpen, " zei Lim. "Dit onderzoek wijst op de mogelijkheid om complexe topologieën in golffysica te ontwerpen die verder gaan dan optica, van elektronenstralen tot akoestiek, " zei Lim.

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