Une métasurface utilise une lumière polarisée circulairement pour générer et contrôler des états de lumière nouveaux et complexes, ces tourbillons de lumière tourbillonnants. Le nouvel outil peut être utilisé non seulement pour explorer de nouveaux états de lumière, mais également de nouvelles applications pour la lumière structurée. Crédit :Second Bay Studio/Harvard SEAS
Il n'y a rien de nouveau sous le soleil, sauf peut-être la lumière elle-même.
Au cours de la dernière décennie, les physiciens appliqués ont développé des matériaux nanostructurés qui peuvent produire des états de lumière complètement nouveaux présentant un comportement étrange, comme se plier en spirale, tire-bouchon et divise comme une fourchette.
Ces faisceaux dits structurés peuvent non seulement en dire beaucoup aux scientifiques sur la physique de la lumière, ils ont un large éventail d'applications allant de l'imagerie à super-résolution à la manipulation moléculaire et aux communications.
Maintenant, des chercheurs de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences ont développé un outil pour générer de nouveaux, des états de lumière plus complexes d'une manière complètement différente.
La recherche est publiée dans Science .
"Nous avons développé une métasurface qui est un nouvel outil pour étudier de nouveaux aspects de la lumière, " a déclaré Federico Capasso, le professeur Robert L. Wallace de physique appliquée et Vinton Hayes chercheur principal en génie électrique à SEAS et auteur principal de l'article. "Ce composant optique rend possible des opérations beaucoup plus complexes et permet aux chercheurs d'explorer non seulement de nouveaux états de lumière mais aussi de nouvelles applications pour la lumière structurée."
Une métasurface peut générer d'étranges nouveaux faisceaux de lumière qui tourbillonnent et tirent-bouchon. Le trou noir au centre de ces vortex peut être utilisé pour imager des caractéristiques plus petites qu'une demi-longueur d'onde de lumière ou déplacer de minuscules molécules. Crédit :Capasso Lab/Harvard SEAS
Le Harvard Office of Technology Development a protégé la propriété intellectuelle relative à ce projet et explore les possibilités de commercialisation.
La nouvelle métasurface relie deux aspects de la lumière, connu sous le nom de moment angulaire orbital et de polarisation circulaire (ou moment angulaire de spin). La polarisation est la direction dans laquelle la lumière vibre. En lumière polarisée circulairement, la vibration de la lumière trace un cercle. Pensez au moment angulaire orbital et à la polarisation circulaire comme le mouvement d'une planète. La polarisation circulaire est la direction dans laquelle une planète tourne sur son axe tandis que le moment orbital décrit comment la planète tourne autour du soleil.
Le fait que la lumière puisse même transporter une impulsion orbitale est une découverte relativement récente - seulement environ 25 ans ? - mais c'est cette propriété de la lumière qui produit de nouveaux états étranges, comme des poutres en forme de tire-bouchons.
Des recherches antérieures ont utilisé la polarisation de la lumière pour contrôler la taille et la forme de ces faisceaux exotiques, mais la connexion était limitée car seules certaines polarisations pouvaient se convertir en certains moments orbitaux.
Cette recherche, cependant, élargit considérablement cette connexion.
"Cette métasurface donne la connexion la plus générale, via un seul appareil, entre le moment orbital et la polarisation de la lumière qui ont été obtenus jusqu'à présent, " a déclaré Robert Devlin, co-premier auteur de l'article et ancien étudiant diplômé du Capasso Lab.
Lumière structurée, comme la poutre vrillée ci-dessus, peut en dire beaucoup aux scientifiques sur la physique de la lumière et avoir un large éventail d'applications allant de l'imagerie à super résolution à la manipulation moléculaire et aux communications. Crédit :Capasso Lab/Harvard SEAS
L'appareil peut être conçu de sorte que toute polarisation d'entrée de la lumière puisse entraîner n'importe quelle sortie de moment angulaire orbital, ce qui signifie que toute polarisation peut produire n'importe quel type de lumière structurée, des spirales et tire-bouchons aux vortex de toute taille. Et, le dispositif multifonctionnel peut être programmé pour qu'une polarisation donne un vortex et qu'une polarisation différente donne un vortex complètement différent.
"Il s'agit d'un tout nouveau composant optique, " dit Antonio Ambrosio, Scientifique principal au Harvard Center for Nanoscale Systems (CNS) et co-premier auteur de l'article. "Certaines métasurfaces sont des itérations ou plus efficaces, versions plus compactes des dispositifs optiques existants mais, cette conversion spin-orbitale arbitraire ne peut être effectuée avec aucun autre dispositif optique. Il n'y a rien dans la nature qui puisse faire cela et produire ces états de lumière."
Une application potentielle est dans le domaine de la manipulation moléculaire et des pincettes optiques, qui utilisent la lumière pour déplacer les molécules. Le moment orbital de la lumière est suffisamment fort pour faire tourner et bouger des particules microscopiques.
"Tu peux imaginer, si nous éclairons l'appareil avec une polarisation de lumière, il va créer une force d'un genre particulier, " dit Ambrosio. " Alors, si vous voulez changer la force, tout ce que vous avez à faire est de changer la polarisation de la lumière entrante. La force est directement liée à la conception de l'appareil."
Une autre application est l'imagerie haute puissance. Le trou noir au centre du vortex, connue sous le nom de zone d'intensité lumineuse nulle, peut imager des caractéristiques plus petites que la limite de diffraction, qui est généralement la moitié de la longueur d'onde de la lumière. En changeant la polarisation de la lumière, la taille de cette région centrale peut être modifiée pour mettre au point des entités de différentes tailles.
Mais ces faisceaux peuvent aussi éclairer des questions fondamentales de physique.
« Ces faisceaux particuliers présentent avant tout un intérêt scientifique fondamental, " dit Noah Rubin, co-premier auteur de l'article et étudiant diplômé au Capasso Lab. "Il y a un intérêt pour ces faisceaux dans l'optique quantique et l'information quantique. Du côté plus appliqué, ces faisceaux pourraient trouver une application dans la communication optique en espace libre, en particulier dans les environnements de diffusion où cela est généralement difficile. De plus, il a été récemment montré que des éléments similaires peuvent être incorporés dans des lasers, produisant directement ces nouveaux états de lumière. Cela peut conduire à des applications imprévues."
