En metayta använder cirkulärt polariserat ljus för att generera och kontrollera nya och komplexa ljustillstånd, sådana virvlande virvlar av ljus. Det nya verktyget kan användas för att inte bara utforska nya ljustillstånd utan även nya applikationer för strukturerat ljus. Upphovsman:Second Bay Studio/Harvard SEAS
Det finns inget nytt under solen - förutom kanske själva ljuset.
Under det senaste decenniet har tillämpade fysiker har utvecklat nanostrukturerade material som kan producera helt nya ljustillstånd som uppvisar konstigt beteende, som att böja sig i en spiral, korkskruvning och dela som en gaffel.
Dessa så kallade strukturerade strålar kan inte bara berätta för forskare mycket om ljusets fysik, de har ett brett spektrum av applikationer från superupplöst avbildning till molekylär manipulation och kommunikation.
Nu, forskare vid Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences har utvecklat ett verktyg för att skapa nya, mer komplexa ljustillstånd på ett helt annat sätt.
Forskningen publiceras i Vetenskap .
"Vi har utvecklat en metasyta som är ett nytt verktyg för att studera nya aspekter av ljus, "sade Federico Capasso, Robert L. Wallace professor i tillämpad fysik och Vinton Hayes Senior Research Fellow i elektroteknik vid SEAS och seniorförfattare till tidningen. "Denna optiska komponent möjliggör mycket mer komplexa operationer och tillåter forskare att inte bara utforska nya tillstånd av ljus utan också nya applikationer för strukturerat ljus."
En metayta kan generera konstiga nya ljusstrålar som virvlar och korkskruvar. Det svarta hålet i mitten av dessa virvlar kan användas för att avbilda funktioner som är mindre än en halv våglängd av ljus eller flytta små molekyler. Upphovsman:Capasso Lab/Harvard SEAS
Harvard Office of Technology Development har skyddat den immateriella äganderätten för detta projekt och undersöker kommersialiseringsmöjligheter.
Den nya metasytan förbinder två aspekter av ljus, känd som orbital vinkelmoment och cirkulär polarisering (eller spin -vinkelmoment). Polarisering är riktning längs vilket ljus vibrerar. I cirkulärt polariserat ljus, ljusets vibrationer spårar en cirkel. Tänk på orbitalt vinkelmoment och cirkulär polarisering som en planets rörelse. Cirkulär polarisering är den riktning i vilken en planet roterar på sin axel medan den orbitala momentum beskriver hur planeten kretsar kring solen.
Det faktum att ljus till och med kan bära orbital momentum är en relativt ny upptäckt - bara cirka 25 år gammal? - men det är denna ljusegenskap som ger konstiga nya tillstånd, såsom balkar i form av korkskruvar.
Tidigare forskning har använt polarisering av ljus för att styra storleken och formen på dessa exotiska strålar men anslutningen var begränsad eftersom endast vissa polarisationer kunde omvandlas till vissa omloppsmoment.
Denna forskning, dock, utökar den anslutningen avsevärt.
"Denna meta -yta ger den mest allmänna kopplingen, genom en enda enhet, mellan omloppsmomentet och polarisering av ljus som har uppnåtts hittills, "sa Robert Devlin, medförfattare till tidningen och tidigare doktorand i Capasso Lab.
Strukturerat ljus, som ovanstående korkskruvade balk, kan berätta för forskare mycket om ljusets fysik och ha ett brett spektrum av tillämpningar från superupplöst bildbehandling till molekylär manipulation och kommunikation. Upphovsman:Capasso Lab/Harvard SEAS
Enheten kan utformas så att varje ingångspolarisering av ljus kan resultera i vilken som helst orbital vinkelmomentutgång - vilket innebär att varje polarisering kan ge någon form av strukturerat ljus, från spiraler och korkskruvar till virvlar av alla storlekar. Och, den multifunktionella enheten kan programmeras så att en polarisering resulterar i en virvel och en annan polarisering resulterar i en helt annan virvel.
"Detta är en helt ny optisk komponent, "sade Antonio Ambrosio, Huvudforskare vid Harvard Center for Nanoscale Systems (CNS) och medförfattare till tidningen. "Vissa metasytor är iterationer eller mer effektiva, mer kompakta versioner av befintliga optiska enheter men, denna godtyckliga spin-to-orbital-konvertering kan inte göras med någon annan optisk enhet. Det finns inget i naturen som kan göra detta och producera dessa ljustillstånd. "
En potentiell tillämpning är inom området molekylär manipulation och optisk pincett, som använder ljus för att flytta molekyler. Ljusets omloppsmoment är tillräckligt stark för att få mikroskopiska partiklar att rotera och röra sig.
"Du kan föreställa dig, om vi belyser enheten med en polarisering av ljus, det kommer att skapa en kraft av ett visst slag, "sade Ambrosio." Sedan, om du vill ändra kraften, allt du behöver göra är att ändra polariseringen av det inkommande ljuset. Kraften är direkt relaterad till enhetens konstruktion. "
En annan applikation är högeffektiv bildbehandling. Det svarta hålet i virvelns mitt, känd som området för nolljusintensitet, kan bildfunktioner som är mindre än diffraktionsgränsen, som vanligtvis är hälften av ljusets våglängd. Genom att ändra ljusets polarisering, storleken på denna mittregion kan ändras för att fokusera funktioner i olika storlekar.
Men dessa strålar kan också belysa grundläggande fysikfrågor.
"Dessa speciella balkar är först och främst av grundläggande vetenskapligt intresse, sa Noah Rubin, medförste författare till tidningen och doktorand i Capasso Lab. "Det finns intresse för dessa strålar för kvantoptik och kvantinformation. På den mer tillämpade sidan, dessa strålar kan hitta tillämpning i ledig optisk kommunikation, särskilt i spridningsmiljöer där detta vanligtvis är svårt. Dessutom, det har nyligen visats att liknande element kan införlivas i lasrar, direkt producerar dessa nya ljustillstånd. Detta kan leda till oförutsedda applikationer. "
