October 28, 2021
Singularitas Optik Dapat Digunakan untuk Berbagai Aplikasi

Singularitas Optik Dapat Digunakan untuk Berbagai Aplikasi

Oleh

Penampang lembar singularitas fase berbentuk hati yang dirancang. Wilayah gelap yang diperluas di gambar tengah adalah penampang lembar singularitas. Fase tidak terdefinisi pada lembar singularitas. Kredit: Daniel Lim/Harvard SEAS

Ketika kita berpikir tentang singularitas, kita cenderung memikirkan lubang hitam besar di galaksi yang jauh atau masa depan yang jauh dengan AI yang melarikan diri, tetapi singularitas ada di sekitar kita. Singularitas hanyalah tempat di mana parameter tertentu tidak ditentukan. Kutub Utara dan Selatan, misalnya, dikenal sebagai singularitas koordinat karena tidak memiliki garis bujur yang ditentukan.

Singularitas optik biasanya terjadi ketika fase cahaya dengan panjang gelombang tertentu, atau warna, tidak terdefinisi. Daerah ini tampak benar-benar gelap. Saat ini, beberapa singularitas optik, termasuk pusaran optik, sedang dieksplorasi untuk digunakan dalam komunikasi optik dan manipulasi partikel, tetapi para ilmuwan baru mulai memahami potensi sistem ini. Pertanyaannya tetap — bisakah kita memanfaatkan kegelapan seperti kita memanfaatkan cahaya untuk membangun teknologi baru yang kuat?

Sekarang, para peneliti dari Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) telah mengembangkan cara baru untuk mengontrol dan membentuk singularitas optik. Teknik ini dapat digunakan untuk merekayasa singularitas berbagai bentuk, jauh melampaui garis lengkung atau lurus sederhana. Untuk mendemonstrasikan teknik mereka, para peneliti membuat lembar singularitas dalam bentuk hati.

Sifat Polarisasi

Prosedur rekayasa singularitas juga diterapkan untuk menciptakan singularitas yang lebih eksotis, seperti lembar singularitas polarisasi. Di sini, sifat polarisasi (misalnya azimuth polarisasi, sudut eliptisitas, dan intensitas) dari bidang cahaya terstruktur eksperimental dibandingkan dengan prediksi numerik. Kredit: Daniel Lim/Harvard SEAS

“Teknik holografi konvensional bagus dalam membentuk cahaya, tetapi berjuang untuk membentuk kegelapan,” kata Federico Capasso, Profesor Fisika Terapan Robert L. Wallace dan Peneliti Senior Vinton Hayes di Teknik Elektro di SEAS dan penulis senior makalah ini. “Kami telah mendemonstrasikan rekayasa singularitas sesuai permintaan, yang membuka banyak kemungkinan di berbagai bidang, mulai dari teknik mikroskopi resolusi super hingga perangkap atom dan partikel baru.”

Penelitian ini dipublikasikan di Komunikasi Alam.

Capasso dan timnya menggunakan metasurface datar dengan nanopilar berbentuk tepat untuk membentuk singularitas.

“Metasurface memiringkan muka gelombang cahaya dengan cara yang sangat tepat di atas permukaan sehingga pola interferensi cahaya yang ditransmisikan menghasilkan wilayah kegelapan yang lebih luas,” kata Daniel Lim, seorang mahasiswa pascasarjana di SEAS dan penulis pertama makalah ini. “Pendekatan ini memungkinkan kami untuk secara tepat merancang daerah gelap dengan kontras yang sangat tinggi.”

Metasurfaces Nanopillars Nanofins

Metasurfaces, yang merupakan permukaan berstrukturnano yang mengandung bentuk seperti nanopilar (kiri) dan nanofin (kanan), digunakan untuk mewujudkan struktur singularitas ini secara eksperimental. Gambar di atas menunjukkan pemindaian gambar mikroskop elektron dari struktur nano titanium dioksida yang digunakan untuk secara tepat membentuk muka gelombang cahaya dalam menghasilkan lembaran singularitas. Kredit: Daniel Lim/Harvard SEAS

Singularitas yang direkayasa dapat digunakan untuk menjebak atom di daerah gelap. Singularitas ini juga dapat meningkatkan pencitraan resolusi super tinggi. Sementara cahaya hanya dapat difokuskan ke daerah sekitar setengah panjang gelombang (batas difraksi), kegelapan tidak memiliki batas difraksi, yang berarti dapat dilokalisasi ke ukuran apa pun. Hal ini memungkinkan kegelapan untuk berinteraksi dengan partikel pada skala panjang yang jauh lebih kecil daripada panjang gelombang cahaya. Ini dapat digunakan untuk memberikan informasi tidak hanya tentang ukuran dan bentuk partikel tetapi juga orientasinya.

Singularitas yang direkayasa dapat melampaui gelombang cahaya ke jenis gelombang lainnya.

“Anda juga dapat merekayasa zona mati dalam gelombang radio atau zona sunyi dalam gelombang akustik,” kata Lim. “Penelitian ini menunjukkan kemungkinan merancang topologi kompleks dalam fisika gelombang di luar optik, dari berkas elektron hingga akustik.”

Referensi: “Lembar singularitas fase rekayasa dan polarisasi” oleh Soon Wei Daniel Lim, Joon-Suh Park, Maryna L. Meretska, Ahmed H. Dorrah dan Federico Capasso, 7 Juli 2021, Komunikasi Alam.
DOI: 10.1038 / s41467-021-24493-y

Kantor Pengembangan Teknologi Harvard telah melindungi kekayaan intelektual yang berkaitan dengan proyek ini dan sedang menjajaki peluang komersialisasi.

Penelitian ini ditulis bersama oleh Joon-Suh Park, Maryna L. Meretska, dan Ahmed H. Dorrah. Hal ini didukung sebagian oleh Kantor Penelitian Ilmiah Angkatan Udara dengan nomor penghargaan FA9550-19-1-0135 dan oleh Kantor Penelitian Angkatan Laut (ONR) dengan nomor penghargaan N00014-20-1-2450.