Les singularités optiques peuvent être utilisées pour une grande variété d’applications

Quand on pense aux singularités, on a tendance à penser à des trous noirs supermassifs dans des galaxies lointaines ou à un futur lointain avec une intelligence artificielle débridée, mais les singularités sont tout 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 ils n’ont pas de longitude définie.

Les singularités optiques se produisent généralement lorsque la phase de la lumière d’une longueur d’onde ou d’une couleur spécifique n’est pas spécifiée. Ces zones apparaissent complètement sombres. Aujourd’hui, certaines singularités optiques, y compris les tourbillons optiques, sont explorées pour une utilisation dans les communications optiques et la manipulation des particules, mais les scientifiques commencent seulement à comprendre le potentiel de ces systèmes. La question demeure : pouvons-nous exploiter les ténèbres comme nous exploitons la lumière pour créer de nouvelles technologies puissantes ?

Aujourd’hui, des chercheurs de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) ont développé une nouvelle méthode pour contrôler et façonner les singularités optiques. Cette technique peut être utilisée pour concevoir des singularités de nombreuses formes, au-delà des simples lignes droites ou courbes. Pour démontrer leur méthode, les chercheurs ont créé un papier de singularité en forme de cœur.

La procédure d’ingénierie des singularités a également été appliquée pour créer des singularités plus exotiques, telles que la feuille de polarisation des singularités. Ici, les propriétés de polarisation (telles que l’azimut de polarisation, l’angle d’ellipsoïde et l’intensité) du champ lumineux structuré expérimentalement sont comparées aux prédictions numériques. Crédit : Daniel Lim/Harvard SEAS

« Les techniques holographiques conventionnelles sont bonnes pour façonner la lumière, mais elles ont du mal à façonner l’obscurité », a déclaré Federico Capasso, professeur de physique appliquée Robert L. Wallace et boursier Fenton Hayes en génie électrique à SEAS et auteur principal de la recherche. « Nous avons démontré une ingénierie de singularité à la demande, qui ouvre un large éventail de possibilités dans des domaines à grande échelle, des techniques de microscopie ultra-résolution aux nouveaux pièges atomiques et à particules. »

La recherche a été publiée dans Connexions naturelles.

Capasso et son équipe ont utilisé des surfaces planes avec de minuscules nanopiliers pour former les singularités.

« La métasurface incline le front d’onde de la lumière d’une manière si précise sur une surface que le motif d’interférence de la lumière transmise produit des régions d’obscurité étendues », a déclaré Daniel Lim, étudiant diplômé de SEAS et premier auteur du document de recherche. « Cette approche nous permet de concevoir avec précision des zones sombres avec un contraste considérablement élevé. »

Les métasurfaces, qui sont des surfaces nanostructurées contenant des formes telles que des nanopiliers (à gauche) et des nanofins (à droite), ont été utilisées pour réaliser expérimentalement ces structures de singularité. L’image ci-dessus montre des images de microscopie électronique à balayage de nanostructures de dioxyde de titane qui ont été utilisées pour façonner avec précision le front d’onde de la lumière dans la production de feuilles de singularité. Crédit : Daniel Lim/Harvard SEAS

Les singularités artificielles peuvent être utilisées pour piéger les atomes dans les régions sombres. Ces singularités peuvent également améliorer l’imagerie à ultra-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’elle peut être localisée à n’importe quelle taille. Cela permet à l’obscurité d’interagir avec les particules à des échelles de longueurs d’onde beaucoup plus petites que la lumière. Cela peut être utilisé pour fournir des informations sur non seulement la taille et la forme des particules, mais aussi leur orientation.

Les singularités conçues peuvent s’étendre au-delà des ondes lumineuses à d’autres types d’ondes.

« Vous pouvez également créer des zones mortes dans les ondes radio ou des zones silencieuses dans les ondes sonores », a déclaré Lim. « Cette recherche indique la possibilité de concevoir des topologies complexes en physique des ondes autres que l’optique, des faisceaux d’électrons à l’acoustique. »

Référence : « Articles sur l’unicité de la phase géométrique et la polarisation » de Soon Wei Daniel Lim, John Suh Park, Marina El Meritska, Ahmed H. Dora et Federico Capasso, 7 juillet 2021 Disponible ici. Connexions naturelles.
DOI : 10.1038 / s41467-021-24493-y

Le Bureau du développement technologique de l’Université Harvard a protégé la propriété intellectuelle liée à ce projet et explore les possibilités de commercialisation.

L’article a été co-écrit par Joon-Suh Park, Maryna L. Meretska et Ahmed H. Dora. Il a été soutenu en partie par l’Air Force Office of Scientific Research sous le numéro d’attribution FA9550-19-1-0135 et par l’Office of Naval Research (ONR) sous le numéro d’attribution N00014-20-1-2450.