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| El procedimiento de ingeniería de singularidades también se aplicó para crear singularidades más exóticas, como una hoja de singularidad de polarización. Aquí se comparan las propiedades de polarización (por ejemplo, el acimut de polarización, el ángulo de elipticidad y la intensidad) del campo de luz estructurado experimental con las predicciones numéricas. Crédito: Daniel Lim/Harvard SEAS |
Cuando pensamos en las singularidades, tendemos a pensar en agujeros negros masivos en galaxias lejanas o en un futuro distante con una IA desbocada, pero las singularidades están a nuestro alrededor. Las singularidades son simplemente un lugar donde ciertos parámetros no están definidos. El Polo Norte y el Polo Sur, por ejemplo, son lo que se conoce como singularidades de coordenadas porque no tienen una longitud definida.
Las singularidades ópticas suelen producirse cuando la fase de la luz con una determinada longitud de onda, o color, es indefinida. Estas regiones aparecen completamente oscuras. En la actualidad, se están explorando algunas singularidades ópticas, como los vórtices ópticos, para su uso en las comunicaciones ópticas y la manipulación de partículas, pero los científicos apenas están empezando a comprender el potencial de estos sistemas. La pregunta sigue siendo: ¿podemos aprovechar la oscuridad como hemos aprovechado la luz para construir nuevas y potentes tecnologías?
Ahora, investigadores de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson (SEAS) de Harvard han desarrollado una nueva forma de controlar y dar forma a las singularidades ópticas. La técnica puede utilizarse para diseñar singularidades de muchas formas, mucho más allá de las simples líneas curvas o rectas. Para demostrar su técnica, los investigadores crearon una hoja de singularidad con forma de corazón.
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| Sección transversal de la hoja de singularidad de fase diseñada en forma de corazón. La región oscura extendida en la imagen central es una sección transversal de la hoja de singularidad. La fase no está definida en la hoja de singularidad. Crédito: Daniel Lim/Harvard SEAS |
"Las técnicas convencionales de holografía son buenas para dar forma a la luz, pero tienen dificultades para dar forma a la oscuridad", afirma Federico Capasso, catedrático de Física Aplicada Robert L. Wallace e investigador principal de Ingeniería Eléctrica Vinton Hayes en SEAS y autor principal del artículo. "Hemos demostrado la ingeniería de la singularidad bajo demanda, lo que abre un vasto conjunto de posibilidades en campos muy variados, desde técnicas de microscopía de súper resolución hasta nuevas trampas atómicas y de partículas".
La investigación se publica en Nature Communications ("Engineering phase and polarization singularity sheets").
Capasso y su equipo utilizaron metasuperficies planas con nanopilares de forma precisa para dar forma a las singularidades.
"La metasuperficie inclina el frente de onda de la luz de forma muy precisa sobre una superficie, de modo que el patrón de interferencia de la luz transmitida produce regiones de oscuridad extendidas", explica Daniel Lim, estudiante de posgrado en SEAS y primer autor del artículo. "Este enfoque nos permite diseñar con precisión regiones oscuras con un contraste notablemente alto".
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| Las metasuperficies, que son superficies nanoestructuradas con formas como los nanopilares (izquierda) y las nanoaletas (derecha), se emplearon para realizar experimentalmente estas estructuras de singularidad. La imagen superior muestra imágenes de microscopio electrónico de barrido de nanoestructuras de dióxido de titanio que se utilizaron para dar forma precisa al frente de onda de la luz en la producción de las hojas de singularidad. (Imagen: Daniel Lim/Harvard SEAS) |
Las singularidades diseñadas podrían utilizarse para atrapar átomos en regiones oscuras. Estas singularidades también podrían mejorar las imágenes de súper alta resolución. Mientras que la luz sólo puede enfocarse en regiones de aproximadamente media longitud de onda (el límite de difracción), la oscuridad no tiene límite de difracción, lo que significa que puede localizarse en cualquier tamaño. Esto permite que la oscuridad interactúe con las partículas en escalas de longitud mucho más pequeñas que las longitudes de onda de la luz. Esto podría utilizarse para proporcionar información no sólo sobre el tamaño y la forma de las partículas, sino también sobre su orientación.
Las singularidades de ingeniería podrían extenderse más allá de las ondas de luz a otros tipos de ondas.
"También se pueden crear zonas muertas en las ondas de radio o zonas silenciosas en las ondas acústicas", explica Lim. "Esta investigación apunta a la posibilidad de diseñar topologías complejas en la física de las ondas más allá de la óptica, desde los haces de electrones hasta la acústica", dijo Lim.
Fuentes, créditos y referencias:
Fuente: Por Leah Burrows, Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Harvard