Las singularidades ópticas se pueden utilizar para una amplia gama de aplicaciones.

Sección transversal de la hoja de singularidad de fase en forma de corazón diseñada. 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 enormes agujeros negros en galaxias distantes o en un futuro lejano con una IA desbocada, pero las singularidades están a nuestro alrededor. Las singularidades son simplemente un lugar donde algunos 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 ocurren típicamente cuando la fase de la luz con una longitud de onda o color específico no está definida. Estas regiones aparecen completamente oscuras. Hoy en día, se están explorando algunas singularidades ópticas, incluidos los remolinos 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, investigadores de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas (SEAS) de Harvard John A. Paulson han desarrollado una nueva forma de controlar y modelar singularidades ópticas. La técnica se puede utilizar para diseñar 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 singularidades también se ha aplicado a la creación de singularidades más exóticas, como una hoja de singularidad de polarización. Aquí, las propiedades de polarización (por ejemplo, azimut de polarización, ángulo de elipticidad e intensidad) del campo de luz estructurado experimental se comparan con las predicciones numéricas. Crédito: Daniel Lim / Harvard SEAS

«Las técnicas holográficas convencionales son buenas para modelar la luz, pero luchan por modelar 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. «Hemos demostrado ingeniería de singularidad bajo demanda, lo que abre una amplia gama de posibilidades en campos muy diversos, desde técnicas de microscopía de superresolución 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 formas precisas para modelar las singularidades.

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

Las metauperficies, que son superficies nanoestructuradas que contienen formas como nanopilas (izquierda) y nanofinas (derecha), se utilizaron para hacer experimentalmente estas estructuras de singularidad. La imagen de arriba muestra imágenes de microscopio electrónico de barrido de nanoestructuras de dióxido de titanio que se utilizaron para modelar con precisión el frente de onda de la luz en la producción de las hojas de singularidad. Crédito: Daniel Lim / Harvard SEAS

Las singularidades diseñadas podrían usarse para atrapar átomos en regiones oscuras. Estas singularidades también podrían mejorar las imágenes de ultra 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), la oscuridad no tiene límites 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 diseñadas podrían extenderse más allá de las ondas de luz a otros tipos de ondas.

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

Referencia: «Fases de ingeniería y hojas de singularidad de polarización» por 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 FA9550-19-1-0135 y por la Oficina de Investigación Naval (ONR) con el número de premio N00014-20-1-2450.