За последнее десятилетие физики-прикладники разработали наноструктурированные материалы, которые могут создавать совершенно новые состояния света, демонстрирующие странное поведение, такое как изгиб по спирали, скручивание и деление, как вилка.Эти так называемые структурированные лучи не только могут многое рассказать ученым о физике света, но и имеют широкий спектр применений — от визуализации сверхвысокого разрешения до молекулярных манипуляций и связи.
Теперь исследователи из Гарвардской школы инженерии и прикладных наук Джона А. Полсона разработали инструмент для создания новых, более сложных состояний света совершенно другим способом.Исследование опубликовано в Science.«Мы разработали метаповерхность, которая представляет собой новый инструмент для изучения новых аспектов света», — сказал Федерико Капассо, профессор прикладной физики Роберта Л. Уоллеса и старший научный сотрудник по электротехнике в SEAS и старший автор статьи Винтон Хейс. «Этот оптический компонент делает возможным гораздо более сложные операции и позволяет исследователям не только исследовать новые состояния света, но и новые приложения для структурированного света».Управление технологического развития Гарварда защитило интеллектуальную собственность, относящуюся к этому проекту, и изучает возможности коммерциализации.
Новая метаповерхность соединяет два аспекта света, известные как орбитальный угловой момент и круговая поляризация (или спиновый угловой момент).
Поляризация — это направление, по которому свет колеблется. В свете с круговой поляризацией световые колебания движутся по кругу. Подумайте об орбитальном угловом моменте и круговой поляризации как о движении планеты.
Круговая поляризация — это направление, в котором планета вращается вокруг своей оси, а орбитальный момент описывает, как планета вращается вокруг Солнца.Тот факт, что свет может даже нести орбитальный момент, — это относительно недавнее открытие — ему всего около 25 лет? — но именно это свойство света порождает странные новые состояния, такие как лучи в форме штопора.
Предыдущие исследования использовали поляризацию света для управления размером и формой этих экзотических лучей, но связь была ограничена, потому что только определенные поляризации могли преобразовываться в определенные орбитальные моменты.Однако данное исследование значительно расширяет эту связь.«Эта метаповерхность с помощью одного устройства дает наиболее общую связь между орбитальным моментом и поляризацией света, которая была достигнута до сих пор», — сказал Роберт Девлин, соавтор статьи и бывший аспирант лаборатории Капассо.
Устройство может быть спроектировано так, что любая входная поляризация света может приводить к любому выходному орбитальному угловому моменту — это означает, что любая поляризация может давать любой вид структурированного света, от спиралей и штопоров до вихрей любого размера. И многофункциональное устройство можно запрограммировать так, что одна поляризация приводит к одному вихрю, а другая поляризация приводит к совершенно другому вихрю.«Это совершенно новый оптический компонент», — сказал Антонио Амброзио, главный научный сотрудник Гарвардского центра наномасштабных систем (CNS) и соавтор статьи. «Некоторые метаповерхности являются итерациями или более эффективными, более компактными версиями существующих оптических устройств, но это произвольное спин-орбитальное преобразование невозможно выполнить ни с одним другим оптическим устройством.
В природе также нет ничего, что могло бы сделать это и создать эти состояния. света."Одно из возможных применений — в области манипуляций с молекулами и оптических пинцетов, которые используют свет для перемещения молекул. Орбитальный момент света достаточно силен, чтобы заставить микроскопические частицы вращаться и двигаться.«Вы можете себе представить, что если мы осветим устройство одной поляризацией света, это создаст силу особого рода», — сказал Амброзио. «Затем, если вы хотите изменить силу, все, что вам нужно сделать, это изменить поляризацию падающего света.
Сила напрямую связана с конструкцией устройства».Еще одно приложение — это мощная визуализация.
Черная дыра в центре вихря, известная как область с нулевой интенсивностью света, может отображать объекты, размер которых меньше дифракционного предела, который обычно составляет половину длины волны света. Изменяя поляризацию света, можно изменить размер этой центральной области, чтобы сфокусировать объекты разного размера.Но эти лучи также могут пролить свет на фундаментальные вопросы физики.
«Эти конкретные лучи представляют в первую очередь фундаментальный научный интерес», — сказал Ноа Рубин, соавтор статьи и аспирант лаборатории Капассо. «Эти лучи представляют интерес в квантовой оптике и квантовой информации. С более прикладной стороны эти лучи могут найти применение в оптической связи в свободном пространстве, особенно в рассеивающих средах, где это обычно сложно.
Более того, недавно было показано, что аналогичные элементы могут быть включены в лазеры, непосредственно создавая эти новые состояния света. Это может привести к непредвиденным применениям ».