När vi tänker på singulariteter, vi tenderar att tänka på massiva svarta hål i avlägsna galaxer eller en avlägsen framtid med rymd AI, men singulariteter finns runt omkring oss. Singulariteter är helt enkelt en plats där vissa parametrar är odefinierade. Nord- och Sydpolen, till exempel, är vad som kallas koordinat singulariteter eftersom de inte har en definierad longitud.

Optiska singulariteter uppträder vanligtvis när ljusfasen med en specifik våglängd, eller färg, är odefinierad. Dessa regioner verkar helt mörka. I dag, några optiska singulariteter, inklusive optiska virvlar, undersöks för användning i optisk kommunikation och partikelmanipulation men forskare har precis börjat förstå potentialen i dessa system. Frågan kvarstår - kan vi utnyttja mörker som vi utnyttjade ljus för att bygga kraftfullt, ny teknik?

Nu, forskare från Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) har utvecklat ett nytt sätt att styra och forma optiska singulariteter. Tekniken kan användas för att konstruera singulariteter i många former, långt bortom enkla krökta eller raka linjer. För att demonstrera sin teknik, forskarna skapade ett singularitetsblad i form av ett hjärta.

"Konventionella holografitekniker är bra på att forma ljus, men kämpar för att forma mörkret, "sade Federico Capasso, Robert L. Wallace professor i tillämpad fysik och Vinton Hayes Senior Research Fellow i elektroteknik vid SEAS och seniorförfattare till tidningen. "Vi har demonstrerat on-demand singularitetsteknik, som öppnar upp ett stort antal möjligheter inom vidsträckta områden, från superupplösta mikroskopitekniker till nya atom- och partikelfällor. "

Forskningen publiceras i Naturkommunikation .

Capasso och hans team använde platta metasytor med exakt formade nanopilar för att forma singulariteterna.

"Metasytan lutar ljusets vågfront på ett mycket exakt sätt över en yta så att interferensmönstret för det överförda ljuset ger utsträckta områden av mörker, "sa Daniel Lim, en doktorand vid SEAS och första författare till tidningen. "Detta tillvägagångssätt låter oss exakt konstruera mörka områden med anmärkningsvärt hög kontrast."

Konstruerade singulariteter kan användas för att fånga atomer i mörka områden. Dessa singulariteter kan också förbättra avbildning med superhög upplösning. Även om ljus endast kan fokuseras på områden med ungefär en halv våglängd (diffraktionsgränsen) i storlek, mörkret har ingen diffraktionsgräns, vilket betyder att den kan lokaliseras till valfri storlek. Detta gör att mörkret kan interagera med partiklar över längdskalor som är mycket mindre än ljusets våglängder. Detta kan användas för att ge information om inte bara partiklarnas storlek och form utan även deras orientering.

Konstruerade singulariteter kan sträcka sig bortom ljusvågor till andra typer av vågor.

"Du kan också konstruera döda zoner i radiovågor eller tysta zoner i akustiska vågor, "sa Lim." Denna forskning pekar på möjligheten att designa komplexa topologier inom vågfysik bortom optik, från elektronstrålar till akustik, "sa Lim.

Harvard Office of Technology Development har skyddat den immateriella äganderätten för detta projekt och undersöker kommersialiseringsmöjligheter.