Polarisering, i vilken riktning ljuset vibrerar, är osynlig för det mänskliga ögat. Än, så mycket av vår optiska värld är beroende av kontroll och manipulation av denna dolda ljuskvalitet.

Material som kan manipulera polariseringen av ljus - kända som dubbelbrytande material - används i allt från digitala väckarklockor till medicinsk diagnostik, kommunikation och astronomi.

Precis som ljusets polarisering kan vibrera längs en rak linje eller en ellips, material kan också vara linjärt eller elliptiskt dubbelbrytande. I dag, de flesta dubbelbrytande material är i grunden linjära, vilket innebär att de bara kan manipulera ljusets polarisering på ett begränsat sätt. Om du vill uppnå bred polarisationsmanipulation, du måste stapla flera dubbelbrytande material ovanpå varandra, gör dessa enheter skrymmande och ineffektiva.

Nu, forskare från Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences har designat en metasyta som kontinuerligt kan ställas in från linjär till elliptisk dubbelbrytning, öppnar hela utrymmet för polariseringskontroll med bara en enhet. Denna enda metasyta kan fungera lika många dubbelbrytande material parallellt, möjliggör mer kompakt polarisationsmanipulation, som kan ha långtgående tillämpningar inom polarisationsavbildning, kvantoptik, och andra områden.

Forskningen publiceras i Vetenskapliga framsteg .

"Det är en ny typ av dubbelbrytande material, "sade Zhujun Shi, en tidigare doktorand vid SEAS och första författare till tidningen. "Vi kan skräddarsy ett brett polarisationsbeteende för ett material utöver vad som naturligt finns, som har många praktiska fördelar. Det som tidigare krävde tre separata konventionella dubbelbrytande komponenter tar nu bara en ".

"Möjligheten att manipulera en grundläggande egenskap hos ljus som polarisering på helt nya sätt med en enhet som är kompakt och multifunktionell kommer att ha viktiga tillämpningar för kvanteoptik och optisk kommunikation, "sade Federico Capasso, Robert L. Wallace professor i tillämpad fysik och Vinton Hayes Senior Research Fellow in Electrical Engineering vid SEAS och seniorförfattare till tidningen.

Metasurfaces är matriser med nanopillrar med avstånd mindre än en våglängd från varandra som kan utföra en rad uppgifter, inklusive manipulering av fasen, amplitud och polarisering av ljus. Förr, Capasso och hans team har designat dessa mycket beställda ytor från grunden, med enkla geometriska former med bara några få designparametrar.

I denna forskning, dock, laget vände sig till en ny typ av designteknik som kallas topologisk optimering.

"Topologisk optimering är ett omvänt tillvägagångssätt, "sa Shi." Du börjar med vad du vill att metasytan ska göra och sedan låter du algoritmen utforska det enorma parameterutrymmet för att utveckla ett mönster som bäst kan leverera den funktionen. "

Resultatet var överraskande. Istället för prydligt beställda rektangulära pelare som står som leksaksoldater, denna metas yta består av kapslade halvcirklar som påminner om krokiga smiley -ansikten - mer som något ett barn skulle rita än en dator.

Men dessa udda former har öppnat en helt ny värld av dubbelbrytning. De kan inte bara uppnå breda polarisationsmanipulationer som att omvandla linjär polarisering till önskad elliptisk polarisation, utan polarisationen kan också justeras genom att ändra det inkommande ljusets vinkel.

"Vår strategi har ett brett spektrum av potentiella tillämpningar inom industrin och vetenskaplig forskning, inklusive polarisation aberrationskorrigering i avancerade optiska system, sa Capasso.