Det finns många typer av ljus - några synliga och några osynliga för det mänskliga ögat. Till exempel, våra ögon och hjärna har inte verktygen för att bearbeta ultraviolett ljus när det träffar våra ögon, gör det osynligt. Men det finns en annan typ av ljus som är osynlig bara för att det aldrig når våra ögon. När ljuset träffar vissa ytor, en del av det fastnar och blir kvar istället för att överföras eller sprids bort. Denna typ av ljus kallas närfältsljus.

I dag, Närfältsljus används mest för ultrahögupplöst mikroskopi, känd som närfältsskanning optiska mikroskop (NSOM). Dock, Närfältsljus har också outnyttjad potential för partikelmanipulation, avkänning, och optisk kommunikation. Men eftersom närfältsljus inte når våra ögon som fjärrfältsljus gör, forskare har inte utvecklat en heltäckande verktygslåda för att utnyttja och manipulera närområdet.

"I dag, vi har många verktyg och tekniker för att designa hur långt fältljus ser ut, sa Vincent Ginis, en gästprofessor vid Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS). "Vi har linser, teleskop, prismor och hologram. Alla dessa saker gör det möjligt för oss att skulptera fritt spridande ljus i rymden."

Ginis är också professor vid Vrije universitetet i Brussel.

Nu, SEAS-forskare har utvecklat ett system för att forma närfältsljus-vilket öppnar dörren för oöverträffad kontroll över denna kraftfulla, till stor del outforskad typ av ljus. Forskningen är publicerad i Vetenskap .

"Över åren, vår grupp har utvecklat nya kraftfulla tekniker för att strukturera spridande ljus med hjälp av subvåglängdsmönstrade metasytor, "sade Federico Capasso, Robert Wallace professor i tillämpad fysik och Vinton Hayes seniorforskare i elektroteknik, och senior författare av tidningen. "Med detta arbete, vi visar hur man strukturerar närfältet på avstånd, öppnar spännande möjligheter inom vetenskap och teknik. "

För att manipulera närfältsljus, forskarna utvecklade en anordning där ljus som är begränsat till en vågledare studsar fram och tillbaka mellan två reflektorer. Efter varje studs byter den läge, vilket betyder att den sprider sig med ett annat rumsligt mönster. Med flera studsar, dessa mönster lägger samman för att generera en komplex ljusintensitetsprofil längs vågledaren. Närfältsljuset nära vågledarens yta förändras också. När alla olika mönster av närfältsljuset överlagras på varandra, en specifik form skapas. Forskarna kan förprogrammera den formen genom att skräddarsy amplituden för det studsande ljusets lägen.

"Samexistensen av alla dessa lägen kan utformas för att skapa närfältslandskap efter behag på enhetens yta, sa Marco Piccardo, en forskningsassistent på SEAS och medförfattare till uppsatsen. "Landskapets form bestäms av de kombinerade egenskaperna hos det kaskadande ljuset."

"Det är lite som musik, " sade Ginis. "Musiken som du hör är överlagringen av många toner eller lägen sammansatta i mönster som kompositören skapat. En ton ensam är inte mycket men tillsammans kan du skapa vilken typ av musik som helst. Medan musik fungerar i tiden, vår närfältsgenerator fungerar i tredimensionell rymd och den extra spännande aspekten av vår enhet är att den ena ton genererar den andra."

Viktigt, denna formningsprocess sker på distans, vilket betyder att ingen del av enheten interagerar direkt med närfältsljuset. Detta minskar störningar, vilket är viktigt för applikationer som partikelmanipulation, och är en stor avvikelse från nuvarande lokala metoder för att skulptera nära fält som att skina ljus på metalliska spetsar och nanopartiklar.

För att demonstrera deras design, forskarna formade närfältsljus till formen av en elefant. Eller, mer specifikt, en elefant inuti en boa constrictor, en hyllning till spelet om dimensioner i Antoine de Saint-Exupérys klassiker Den lille prinsen.

Forskarna formade också ljuset till en kurva, en platå och en rak linje.

"Denna forskning ger en ny väg mot oöverträffad tredimensionell kontroll av närfältsljus, "sa Capasso." Det är en pekpinne om de spännande upptäckter och teknikutvecklingar som jag förväntar mig att komma ut av detta arbete i framtiden. "