يمكن استخدام التفردات البصرية لمجموعة واسعة من التطبيقات

المقطع العرضي للورقة التفردية المصممة على شكل قلب. المنطقة المظلمة الممتدة في الصورة المركزية عبارة عن مقطع عرضي من ورقة التفرد. المرحلة غير محددة على ورقة التفرد. الائتمان: دانيال ليم / هارفارد SEAS

عندما نفكر في التفردات ، فإننا نميل إلى التفكير في الثقوب السوداء الهائلة في المجرات البعيدة أو المستقبل البعيد مع الذكاء الاصطناعي الجامح ، لكن التفردات في كل مكان حولنا. التفردات هي ببساطة مكان تكون فيه بعض المعلمات غير محددة. القطب الشمالي والجنوبي ، على سبيل المثال ، هما ما يُعرف باسم تنسيق التفردات لأنهما لا يمتلكان خط طول محدد.

تحدث التفردات البصرية عادةً عندما يكون طور الضوء ذو الطول الموجي أو اللون المحدد غير محدد. تبدو هذه المناطق مظلمة تمامًا. اليوم ، يتم استكشاف بعض التفردات البصرية ، بما في ذلك الدوامات الضوئية ، لاستخدامها في الاتصالات الضوئية ومعالجة الجسيمات ، لكن العلماء بدأوا للتو في فهم إمكانات هذه الأنظمة. يبقى السؤال – هل يمكننا تسخير الظلام مثل تسخير الضوء لبناء تقنيات قوية وجديدة؟

الآن ، طور باحثون من كلية هارفارد جون إيه بولسون للهندسة والعلوم التطبيقية (SEAS) طريقة جديدة للتحكم في التفردات البصرية وتشكيلها. يمكن استخدام هذه التقنية لهندسة التفردات للعديد من الأشكال ، بما يتجاوز الخطوط المنحنية أو المستقيمة البسيطة. لإثبات أسلوبهم ، ابتكر الباحثون ورقة تفرد على شكل قلب.

تم تطبيق إجراء هندسة التفرد أيضًا لإنشاء المزيد من التفردات الغريبة ، مثل ورقة الاستقطاب التفرد. هنا ، تتم مقارنة خصائص الاستقطاب (مثل سمت الاستقطاب وزاوية الإهليلجية والشدة) لحقل الضوء المنظم التجريبي بالتنبؤات العددية. الائتمان: دانيال ليم / هارفارد SEAS

قال فيديريكو كاباسو ، أستاذ الفيزياء التطبيقية روبرت ال. “لقد أظهرنا هندسة التفرد عند الطلب ، والتي تفتح مجموعة واسعة من الاحتمالات في مجالات واسعة النطاق ، من تقنيات الفحص المجهري فائقة الدقة إلى مصائد الذرات والجسيمات الجديدة.”

تم نشر البحث في اتصالات الطبيعة.

استخدم كاباسو وفريقه الأسطح السطحية المسطحة بأعمدة نانوية دقيقة الشكل لتشكيل التفردات.

قال دانيال ليم ، طالب الدراسات العليا في SEAS والمؤلف الأول للورقة البحثية: “إن السطح الخارق يميل واجهة الموجة للضوء بطريقة دقيقة للغاية على سطح ما بحيث ينتج نمط التداخل للضوء المرسل مناطق ممتدة من الظلام”. “يتيح لنا هذا الأسلوب هندسة المناطق المظلمة بدقة مع تباين عالٍ بشكل ملحوظ.”

تم استخدام الأسطح Metasurfaces ، وهي أسطح ذات بنية نانوية تحتوي على أشكال مثل nanopillars (يسار) و nanofins (يمين) ، لتحقيق هياكل التفرد هذه تجريبياً. تُظهر الصورة أعلاه مسحًا لصور المجهر الإلكتروني لهياكل نانوية لثاني أكسيد التيتانيوم والتي تم استخدامها لتشكيل واجهة موجة الضوء بدقة في إنتاج صفائح التفرد. الائتمان: دانيال ليم / هارفارد SEAS

يمكن استخدام التفردات المصممة هندسيًا لاحتجاز الذرات في المناطق المظلمة. يمكن لهذه التفردات أيضًا تحسين التصوير فائق الدقة. بينما لا يمكن تركيز الضوء إلا على مناطق يبلغ حجمها حوالي نصف طول موجة (حد الانعراج) ، فإن الظلام ليس له حد للانعراج ، مما يعني أنه يمكن توطينه في أي حجم. هذا يسمح للظلام بالتفاعل مع الجسيمات على مقاييس أطوال أصغر بكثير من الأطوال الموجية للضوء. يمكن استخدام هذا لتوفير معلومات ليس فقط عن حجم وشكل الجسيمات ولكن اتجاهها أيضًا.

يمكن أن تمتد التفردات المصممة هندسيًا إلى ما وراء موجات الضوء إلى أنواع أخرى من الموجات.

قال ليم: “يمكنك أيضًا هندسة المناطق الميتة في موجات الراديو أو المناطق الصامتة في الموجات الصوتية”. “يشير هذا البحث إلى إمكانية تصميم طبولوجيا معقدة في فيزياء الموجات بخلاف البصريات ، من حزم الإلكترون إلى الصوتيات.”

المرجع: “أوراق تفرد المرحلة الهندسية والاستقطاب” بقلم قريبًا وي دانيال ليم ، وجون سوه بارك ، ومرينا إل ميريتسكا ، وأحمد هـ.درة ، وفيدريكو كاباسو ، 7 يوليو 2021 ، اتصالات الطبيعة.
DOI: 10.1038 / s41467-021-24493-y

قام مكتب تطوير التكنولوجيا بجامعة هارفارد بحماية الملكية الفكرية المتعلقة بهذا المشروع ويستكشف فرص التسويق.

شارك في تأليف البحث كل من Joon-Suh Park و Maryna L. Meretska وأحمد هـ. درة. تم دعمه جزئيًا من قبل مكتب القوات الجوية للبحث العلمي بموجب الجائزة رقم FA9550- 19-1-0135 ومن قبل مكتب الأبحاث البحرية (ONR) تحت رقم الجائزة N00014-20-1-2450.