عبر
المقطع العرضي للورقة التفردية المصممة على شكل قلب. المنطقة المظلمة الممتدة في الصورة المركزية عبارة عن مقطع عرضي من ورقة التفرد. لم يتم تحديد المرحلة في 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 وجود الذكاء الاصطناعي سريعًا ، لكن التفردات في كل مكان حولنا. التفردات هي مجرد مكان تكون فيه معلمات معينة غير محددة. القطبين الشمالي والجنوبي ، على سبيل المثال ، هما ما يطلق عليهما إحداثيات التفردات لأنهما لا يمتلكان خط طول محددًا.
تحدث التفردات البصرية عادة عندما يكون طور الضوء ذو الطول الموجي أو اللون المحدد غير محدد. تظهر 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 ونحن نسخر الضوء لخلق تقنيات جديدة قوية؟
الآن ، طور الباحثون في كلية هارفارد جون إيه بولسون للهندسة والعلوم التطبيقية (SEAS) طريقة جديدة للتحكم في التفردات البصرية وتشكيلها. يمكن استخدام هذه التقنية لتصميم التفردات للعديد من الأشكال ، بما يتجاوز الخطوط المنحنية أو المستقيمة البسيطة. لإثبات أسلوبهم ، أنشأ الباحثون ورقة تفرد على شكل قلب.
تم تطبيق إجراء هندسة التفرد أيضًا على إنشاء المزيد من التفردات الغريبة ، مثل ورقة الاستقطاب التفرد. هنا ، تتم مقارنة خصائص الاستقطاب (على سبيل المثال ، سمت الاستقطاب ، وزاوية الإهليلجية ، والشدة) لحقل الضوء المنظم التجريبي بالتنبؤات العددية. الائتمان: دانيال ليم / هارفارد SEAS
قال فيديريكو كاباسو ، أستاذ الفيزياء التطبيقية روبرت إل والاس والباحث الرئيسي فينتون هايز في الهندسة الكهربائية في SEAS ومؤلف المقال الرئيسي: “تقنيات التصوير المجسم التقليدية جيدة في تشكيل الضوء ، لكنها تجد صعوبة في تشكيل الظلام”. “لقد أظهرنا هندسة التفرد عند الطلب ، والتي تفتح مجموعة واسعة من الاحتمالات في مجموعة متنوعة من المجالات ، من تقنيات الفحص المجهري فائقة الدقة إلى مصائد الذرات والجسيمات الجديدة. “
تم نشر البحث في التواصل مع الطبيعة.
استخدم كاباسو وفريقه الأسطح السطحية المسطحة ذات الأعمدة النانوية الدقيقة لتشكيل التفردات.
قال دانيال ليم ، طالب الدراسات العليا في SEAS والمؤلف الأول للمقالة: “إن السطح الفائق يميل واجهة موجة الضوء بدقة شديدة عبر سطح ما بحيث ينتج نمط التداخل للضوء المرسل مناطق كبيرة من الظلام”. “يتيح لنا هذا الأسلوب تصميم 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) ، لإدراك 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 الاصطناعية لحبس الذرات في المناطق المظلمة. يمكن أن تؤدي هذه التفردات أيضًا إلى تحسين الصور عالية الدقة. في حين أن الضوء لا يمكن أن يركز إلا على مناطق يبلغ طولها حوالي نصف طول الموجة (حد الانعراج) ، فإن الظلام ليس له حد حيود ، مما يعني أنه يمكن توطينه بأي 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 أيضًا عن اتجاهها.
يمكن أن تمتد التفردات الاصطناعية إلى ما وراء موجات الضوء إلى أنواع أخرى من الموجات.
قال ليم: “يمكنك أيضًا إنشاء مناطق ميتة في موجات الراديو أو مناطق صامتة في الموجات الصوتية”. “يشير هذا البحث إلى إمكانية تصميم طبولوجيا معقدة في فيزياء الموجات بخلاف البصريات ، من حزم الإلكترون إلى الصوتيات.”
المرجع: “ورقة تفرد المرحلة الهندسية والاستقطاب” بقلم قريب وي دانيال ليم ، جون سوه بارك ، مارينا إل ميريتسكا ، أحمد درة وفيدريكو كاباسو ، 7 يوليو 2021 ، التواصل مع الطبيعة.
DOI: 10.1038 / s41467-021-24493-y
قام مكتب هارفارد لتطوير التكنولوجيا بحماية الملكية الفكرية المتعلقة بهذا المشروع ويستكشف إمكانيات 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.
