Когда мы думаем о сингулярностях, мы склонны думать о массивных черных дырах в далеких галактиках или о далеком будущем с безудержным искусственным интеллектом, но сингулярности окружают нас повсюду. Сингулярности — это просто место, где некоторые параметры не определены. Например, Северный и Южный полюсы известны как координатные сингулярности, потому что у них нет определенной долготы.

Оптические особенности обычно возникают, когда фаза света с определенной длиной волны или цветом не определена. Эти области кажутся совершенно темными. Сегодня некоторые оптические особенности, в том числе оптические вихри, исследуются для использования в оптической связи и манипулировании частицами, но ученые только начинают понимать потенциал этих систем. Остается вопрос: сможем ли мы обуздать тьму, как свет, для создания новых мощных технологий?

Теперь исследователи из Гарвардской школы инженерии и прикладных наук им. Джона А. Полсона (SEAS) разработали новый способ управления и формирования оптических сингулярностей. Эту технику можно использовать для создания сингулярностей многих форм, выходящих далеко за рамки простых изогнутых или прямых линий. Чтобы продемонстрировать свою технику, исследователи создали лист сингулярности в форме сердца.

«Обычные методы голографии хороши для формирования света, но с трудом формируют темноту», — сказал Федерико Капассо, профессор прикладной физики Роберта Л. Уоллеса и старший научный сотрудник по электротехнике в SEAS и старший автор статьи Винтона Хейса. «Мы продемонстрировали проектирование сингулярностей по запросу, которое открывает широкий набор возможностей в самых разных областях, от методов микроскопии сверхвысокого разрешения до новых ловушек для атомов и частиц».

Исследование опубликовано в Nature Communications.

Капассо и его команда использовали плоские метаповерхности с наностолбиками точной формы, чтобы сформировать сингулярности.

«Метаповерхность очень точно наклоняет волновой фронт света по поверхности, так что интерференционная картина проходящего света создает обширные области темноты», — сказал Дэниел Лим, аспирант SEAS и первый автор статьи. «Такой подход позволяет нам точно проектировать темные области с исключительно высокой контрастностью».

Инженерные особенности могут быть использованы для захвата атомов в темных областях. Эти особенности могут также улучшить визуализацию сверхвысокого разрешения. В то время как свет может быть сфокусирован только в области размером примерно половину длины волны (дифракционный предел), темнота не имеет дифракционного предела, что означает, что он может быть локализован до любого размера. Это позволяет темноте взаимодействовать с частицами на масштабах, намного меньших, чем длины волн света. Это можно использовать для получения информации не только о размере и форме частиц, но и об их ориентации.

Спроектированные сингулярности могут распространяться не только на световые волны, но и на другие типы волн.

«Вы также можете создать мертвые зоны в радиоволнах или тихие зоны в акустических волнах», — сказал Лим. «Это исследование указывает на возможность разработки сложных топологий волновой физики помимо оптики, от электронных пучков до акустики», — сказал Лим.