Фізика
Фізика

Фізики покерували оптичними сингулярностями і склали їх у форму серця

На поверхнях, куди скеровуються хвилі, зокрема оптичні, іноді з'являються такі, що утворюють спіральні структури з невизначеною фазою в ізольованій точці нульової амплітуди — це сингулярності. І американські вчені розробили новий спосіб управління і формування ними так, що змогли використати його для створення різноманітних геометричних форм, що виходять далеко за рамки простих вигнутих або прямих ліній. Щоб продемонструвати свою техніку, дослідники створили лист сингулярності в формі серця, про що повідомили у Nature Communications.

Складена у форму сингулярність, профільована у різних поперечних площинах. Soon Wei Daniel Lim et al. / Nature Communications, 2021

Складена у форму сингулярність, профільована у різних поперечних площинах. Soon Wei Daniel Lim et al. / Nature Communications, 2021

Що таке оптична сингулярність?

Лазерне випромінювання характеризується монохроматичністю і вузьким пучком світла, тому для опису його властивостей ми можемо використовувати поняття фронту хвиль, у всіх точках якого світлові коливання мають однакову фазу. Це обумовлено появою на ньому особливих точок, подібно до дефектів у двомірних кристалічних решітках, що називаються гвинтовими дислокаціями. У цій точці амплітуда світлових коливань знижується до нуля, а фазу неможливо визначити, швидкість азимутальної зміни фази звертається в нескінченність. Математики описують це як сингулярність, чому ці вихори і називаються оптичними сингулярностями. Вони грають основну роль в областях оптики і фотоніки, де одним із напрямків дослідження є структуроване світло, складні світлові поля з унікальним поєднанням спектральних, часових, просторових і поляризаційних характеристик. Тож оптичні вихори або сингулярності у тому числі займають дослідників завдяки своїй нетривіальній поведінці та ефектам, які вони можуть накладати на зовнішнє поле.

Поперечний переріз розробленого аркуша фазової сингулярності у формі серця. Daniel Lim / Harvard SEAS

Поперечний переріз розробленого аркуша фазової сингулярності у формі серця. Daniel Lim / Harvard SEAS

Для чого створювати з неї серце?

Одним із стврюваних сингулярностями ефектів є, наприклад, поява поруч з нею у фокальній площині лінзи навколо кільця Ейрі локально зворотних потоків енергії. Крім того, суперколивання, які перевищують швидкість найшвидших компонент Фур'є, а тому дозволяють формувати скільки завгодно малі оптичні елементи, також зазвичай виникають поруч із точками, де утворюються оптичні сингулярності. Про суперколивання більше можна почитати у нашій новині, де фізикам вдалося позбутися бічних хвиль під час створення суперколивальної. Фазові сингулярності мають іншу топологію порівняно із освітленими областями, тож не підкорюються закону про дифракційну межу, яка обмежує фокусування світла. Вона просто неможлива для темряви, а тому можна довільно локалізувати фазові сингулярності і вимірювати їхнє положення із глибокою субхвильовою точністю, яка обмежується лише відношенням сигнал-шум вимірювального пристрою. Це дає змогу вченим реалізовувати ці «темні області» з високою контрастністю і точністю, а тому збільшувати роздільну здатність і, наприклад, з частинками на масштабах, набагато менших, ніж довжини хвиль світла. Так можна дізнатися не лише про їхній розмір і форму, а і положення. Контроль сингулярностей також веде до можливості створювати складні промені, які поєднуватимуть структуроване світло і темні області для проєктування екзотичної топології не лише світлових хвиль, а і радіо- чи акустичних. Наприклад, можна створити мертві зони в радіохвилях або тихі зони в акустичних, а також використовувати для захоплення атомів.

Як складати сингулярності у фігури?

Спершу вчені створили метаповерхню із оксиду титану на скляній підкладці із кварцу товщиною у пів міліметра, щоб реалізувати необхідний фазовий профіль. Далі за допомогою електронно-променевої літографії наноситься візерунок товщиною 600 нанометрів. Далі вони помітили, що фазові сингулярності тісно пов'язані з фазовими градієнтами, які зростають до надзвичайно великих значень в областях довкола точок сингулярності. На цьому вони розробили підхід до їхнього контролю не через оптимізацію значень параметрів поля (наприклад, амплітуд або фаз), а їхніх градієнтів. Зокрема, оскільки градієнт фази є вектором фронту хвилі, максимізуючи його в точці у заданому напрямку, фізики створили точку асимптотично нульової інтенсивності, орієнтовану перпендикулярно цьому напрямку. Метаповерхня точно нахиляла фронт хвилі, тож інтерференційна картина світла, що проходить, створювала великі області темряви. Власне серце їм вдалося створити за допомогою лазерного променя із довжиною хвилі у 532 нанометри, де через максимізацію градієнта фази, вздовж точки сингулярності вдалося отримати різке падіння інтенсивності та зворотний фазовий профіль.

Сингулярності трапляються у безлічі складних хвилевих систем, як-то акустичні, пучкові, рідинні та плазмонні, а тому подібні стратегії — це спосіб утворити більшу кількість ступенів свободи для взаємодії світла і матерії для проєктування складних полів із новою поведінкою сингулярностей у них.

Використані вченими метаповерхні з оксиду титану. Daniel Lim / Harvard SEAS

Використані вченими метаповерхні з оксиду титану. Daniel Lim / Harvard SEAS