当我们想到奇点时,我们往往会想到遥远星系中的巨大黑洞或人工智能失控的遥远未来,但奇点就在我们身边。奇点只是某些参数未定义的地方。例如,北极和南极就是所谓的坐标奇点,因为它们没有定义的经度。


当具有特定波长或颜色的光的相位不确定时,通常会出现光学奇点。这些区域看起来完全黑暗。今天,正在探索一些光学奇点,包括光学涡旋,用于光通信和粒子操纵,但科学家们才刚刚开始了解这些系统的潜力。问题仍然存在——我们能否像利用光一样利用黑暗来构建强大的新技术?


现在,哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院 (SEAS) 的研究人员开发了一种控制和塑造光学奇点的新方法。该技术可用于设计多种形状的奇点,远远超出简单的曲线或直线。为了展示他们的技术,研究人员创建了一个心形奇点表。

光学奇点可用于从超分辨率成像到光学捕获的广泛应用

设计的心形相位奇异片的横截面。中心图像中扩展的暗区是奇异点的横截面。相位在奇点表上未定义。

光学奇点可用于从超分辨率成像到光学捕获的广泛应用

奇点工程程序也被应用于创建更奇特的奇点,例如极化奇点片。在这里,实验结构光场的偏振特性(例如偏振方位角、椭圆度角和强度)与数值预测进行了比较。


传统的全息技术擅长塑造光,但很难塑造黑暗,该论文的高级作者、应用物理学罗伯特·L·华莱士教授和文顿·海耶斯 (Vinton Hayes) 高级研究员费德里科·卡帕索 (Federico Capasso) 说。我们已经展示了按需奇点工程,它在从超分辨率显微镜技术到新的原子和粒子陷阱的广泛领域开辟了广泛的可能性。


该研究发表在《自然通讯》上。


Capasso 和他的团队使用具有精确形状的纳米柱的平坦超表面来塑造奇点。


超表面以非常精确的方式在表面上倾斜光的波前,因此透射光的干涉图案会产生扩展的黑暗区域,SEAS 的研究生、该论文的第一作者 Daniel Lim 说,这种方法使我们能够精确设计具有非常高对比度的暗区。


工程奇点可用于在暗区捕获原子。这些奇点还可以改善超高分辨率成像。虽然光只能聚焦到大约一半波长(衍射极限)大小的区域,但黑暗没有衍射极限,这意味着它可以定位到任何大小。这允许黑暗在远小于光波长的长度尺度上与粒子相互作用。这不仅可以用于提供有关颗粒大小和形状的信息,还可以用于提供有关其方向的信息。


工程奇点可以从光波扩展到其他类型的波。


您还可以设计无线电波中的死区或声波中的静区,Lim 说,这项研究指出了在波物理学中设计复杂拓扑结构的可能性,从电子束到声学。


哈佛技术发展办公室已保护与该项目相关的知识产权,并正在探索商业化机会。


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