超表面对暗点施加控制

2011年，卡帕索的实验室推出了超表面，即亚波长间隔的纳米结构阵列。2016年，该公司利用超表面制造了高性能超透镜—一种由纳米柱组成的平面光学透镜，他们利用半导体光刻技术制造了这种透镜，这开启了一种使用极轻设备聚焦光线的新策略。

“这两项研究都引入了新的光学奇点类别—设计出的黑暗区域—使用强大但直观的算法来影响超表面的制造，”Soon Wei Daniel Lim说，他是与Joon-Suh Park一起在《自然通讯》上发表该论文的共同一作。

在这项研究中，Lim和他的合作者设计并制造了一种光学装置，这种装置包含二氧化钛纳米柱的表面，可以控制光线，从而产生一系列的光学奇点。

为了精确地控制这些黑点出现的位置，Lim 使用了一种计算机算法来帮助他反向设计元表面。

Lim 说: “我告诉计算机，这就是我想要达到的暗点效果。告诉我纳米柱应该是什么形状和直径才能达到这个效果。”

当光线穿过表面和透镜时，会产生一系列的暗点。

“这些黑点令人兴奋，因为它们可以用作捕获原子的光学陷阱，”Lim说，“这有可能用于简化原子物理实验室中使用的光学架构，用紧凑、轻便的光学设备取代当今的传统设备—在实验室桌子上占用30英尺空间的仪器。”

暗点不仅可以方便地捕获原子，它们还可以作为高精度的成像参考位置。

在《科学进展》的论文中，卡帕索团队描述了一类新的光学奇点: 在偏振光场中极其稳定的黑暗点，称为偏振奇点。

论文第一作者克里斯蒂娜•斯佩格勒(Christina Spaegele)表示:“我们设计了能够承受各种扰动的暗点，它们在拓扑结构上受到保护。这种稳定性为光学设备在各种应用中的高可靠性和耐久性开辟了道路。”

以前的研究取得了一些偏振奇点，但维持完美暗点的条件非常苛刻，很容易被杂散光或其他环境条件破坏。

“通过特殊设计的超表面和聚焦透镜照射光线，我们可以产生一个完全被光点包围的稳定的偏振奇点，本质上是在一个明亮的球体内创造一个黑点。”斯皮格勒说。

这项技术非常强大，以至于即使在表面引入一个缺陷也不会破坏暗斑，只是简单地改变它的位置。

“这种程度的控制对于在‘敌对’环境中成像样品特别有用，在那里振动、压力、温度和杂散光通常会干扰成像行为。”斯佩格尔说。

该团队表示，这些光学奇点的新发展对遥感和隐蔽探测具有重要意义。

哈佛大学技术发展办公室保护了这些研究产生的知识产权，并正在探索商业化机会。

这项工作得到了美国空军科学研究办公室和欧洲研究理事会的支持。

该研究发表在Nature Communications（www.doi.org/10.1038/s41467-023-39072-6）和Science Advances（www.doi.org/10.1126/sciadv.adh0369）上。