Coupe transversale de la feuille de singularité de phase en forme de cœur conçue. La région sombre étendue dans l'image centrale est une coupe transversale de la feuille de singularité. La phase n'est pas définie sur la feuille de singularité. Crédit :Daniel Lim/Harvard SEAS
Quand on pense aux singularités, nous avons tendance à penser à des trous noirs massifs dans des galaxies lointaines ou à un avenir lointain avec une IA en fuite, mais les singularités sont partout autour de nous. Les singularités sont simplement un endroit où certains paramètres ne sont pas définis. Les pôles Nord et Sud, par exemple, sont ce qu'on appelle des singularités de coordonnées car elles n'ont pas de longitude définie.
Les singularités optiques se produisent généralement lorsque la phase de la lumière avec une longueur d'onde spécifique, ou couleur, est indéfini. Ces régions apparaissent complètement sombres. Aujourd'hui, quelques singularités optiques, y compris les tourbillons optiques, sont à l'étude pour une utilisation dans les communications optiques et la manipulation des particules, mais les scientifiques commencent tout juste à comprendre le potentiel de ces systèmes. La question demeure :pouvons-nous exploiter les ténèbres comme nous exploitions la lumière pour construire de puissants, nouvelles technologies?
Maintenant, des chercheurs de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) ont développé une nouvelle façon de contrôler et de façonner les singularités optiques. La technique peut être utilisée pour concevoir des singularités de nombreuses formes, bien au-delà des simples lignes courbes ou droites. Pour démontrer leur technique, les chercheurs ont créé une feuille de singularité en forme de cœur.
"Les techniques d'holographie conventionnelles sont bonnes pour façonner la lumière, mais lutte pour façonner les ténèbres, " 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. « Nous avons démontré une ingénierie de la singularité à la demande, qui ouvre un vaste champ de possibilités dans des domaines très variés, des techniques de microscopie à super-résolution aux nouveaux pièges atomiques et à particules."
La recherche est publiée dans Communication Nature .
La procédure d'ingénierie des singularités a également été appliquée pour créer des singularités plus exotiques, comme une feuille de singularité de polarisation. Ici, les propriétés de polarisation (par exemple azimut de polarisation, angle d'ellipticité, et intensité) du champ lumineux structuré expérimental est comparé aux prédictions numériques. Crédit :Daniel Lim/Harvard SEAS
Capasso et son équipe ont utilisé des métasurfaces plates avec des nanopiliers de forme précise pour façonner les singularités.
"La métasurface incline le front d'onde de la lumière d'une manière très précise sur une surface de sorte que le motif d'interférence de la lumière transmise produise des régions d'obscurité étendues, " a déclaré Daniel Lim, un étudiant diplômé à SEAS et premier auteur de l'article. « Cette approche nous permet de concevoir avec précision des régions sombres avec un contraste remarquablement élevé. »
Des singularités artificielles pourraient être utilisées pour piéger des atomes dans des régions sombres. Ces singularités pourraient également améliorer l'imagerie à très haute résolution. Alors que la lumière ne peut être focalisée que sur des régions d'environ une demi-longueur d'onde (la limite de diffraction), l'obscurité n'a pas de limite de diffraction, ce qui signifie qu'il peut être localisé à n'importe quelle taille. Cela permet à l'obscurité d'interagir avec les particules sur des échelles de longueur beaucoup plus petites que les longueurs d'onde de la lumière. Cela pourrait être utilisé pour fournir des informations non seulement sur la taille et la forme des particules, mais aussi sur leur orientation.
Les singularités artificielles pourraient s'étendre au-delà des ondes lumineuses à d'autres types d'ondes.
"Vous pouvez également concevoir des zones mortes en ondes radio ou des zones silencieuses en ondes acoustiques, " a déclaré Lim. " Cette recherche indique la possibilité de concevoir des topologies complexes en physique des ondes au-delà de l'optique, des faisceaux d'électrons à l'acoustique, " dit Lim.
Le Harvard Office of Technology Development a protégé la propriété intellectuelle relative à ce projet et explore les possibilités de commercialisation.
