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Las singularidades ópticas se pueden utilizar para una amplia gama de aplicaciones.

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Las singularidades ópticas se pueden utilizar para una amplia gama de aplicaciones.

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Sección transversal de la hoja de singularidad de fase en forma de corazón diseñada. La región oscura extendida en la imagen central es una sección transversal de la hoja de singularidad. La fase no está definida en la hoja de singularidad. Crédito: Daniel Lim / Harvard SEAS

Cuando pensamos en singularidades, tendemos a pensar en agujeros negros masivos en galaxias lejanas o en el futuro lejano con IA en fuga, pero las singularidades están a nuestro alrededor. Las singularidades son solo un lugar donde ciertos parámetros no están definidos. Los polos norte y sur, por ejemplo, son lo que se denominan singularidades coordinadas porque no tienen una longitud definida.

Las singularidades ópticas generalmente ocurren cuando la fase de la luz con una longitud de onda o color específico no está definida. Estas regiones aparecen completamente oscuras. Hoy en día, se están explorando algunas singularidades ópticas, incluidos los vórtices ópticos, para su uso en comunicaciones ópticas y manipulación de partículas, pero los científicos apenas están comenzando a comprender el potencial de estos sistemas. La pregunta sigue siendo: ¿podemos aprovechar la oscuridad como aprovechamos la luz para crear nuevas tecnologías poderosas?

Ahora, los investigadores de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas (SEAS) de Harvard John A. Paulson han desarrollado una nueva forma de controlar y dar forma a las singularidades ópticas. La técnica se puede utilizar para diseñar singularidades de muchas formas, mucho más allá de simples líneas curvas o rectas. Para demostrar su técnica, los investigadores crearon una hoja de singularidad en forma de corazón.

Propiedades de polarización

El procedimiento de Ingeniería de Singularidad también se ha aplicado a la creación de singularidades más exóticas, como una hoja de singularidad de polarización. Aquí, las propiedades de polarización (por ejemplo, acimut de polarización, ángulo de elipticidad e intensidad) del campo de luz estructurado experimental se comparan con predicciones numéricas. Crédito: Daniel Lim / Harvard SEAS

«Las técnicas de holografía convencionales son buenas para dar forma a la luz, pero tienen dificultades para dar forma a la oscuridad», dijo Federico Capasso, profesor de física aplicada de Robert L. Wallace e investigador principal de Vinton Hayes en ingeniería eléctrica en SEAS y autor del artículo principal. “Hemos demostrado la ingeniería de singularidad bajo demanda, que abre una amplia gama de posibilidades en una amplia variedad de campos, desde técnicas de microscopía de súper resolución hasta nuevas trampas atómicas y de partículas. «

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La investigación se publica en Comunicación de la naturaleza.

Capasso y su equipo utilizaron metasuperficies planas con nanopilares de forma precisa para dar forma a las singularidades.

«La metasuperficie inclina el frente de onda de la luz con mucha precisión a través de una superficie de modo que el patrón de interferencia de la luz transmitida produce grandes regiones de oscuridad», dijo Daniel Lim, estudiante de posgrado en SEAS y primer autor del artículo. “Este enfoque nos permite diseñar con precisión regiones oscuras con un contraste notablemente alto. «

Nanofinas Nanopilares Metasuperficies

Las metauperficies, que son superficies nanoestructuradas que contienen formas como nanopilares (izquierda) y nanofinas (derecha), se utilizaron para realizar experimentalmente estas estructuras de singularidad. La imagen de arriba muestra imágenes de microscopio electrónico de barrido de nanoestructuras de dióxido de titanio que se utilizaron para dar forma con precisión al frente de onda de la luz en la producción de láminas de singularidad. Crédito: Daniel Lim / Harvard SEAS

Las singularidades artificiales podrían usarse para atrapar átomos en regiones oscuras. Estas singularidades también podrían mejorar las imágenes de muy alta resolución. Si bien la luz solo se puede enfocar en regiones de aproximadamente la mitad de una longitud de onda (el límite de difracción), la oscuridad no tiene límite de difracción, lo que significa que se puede localizar en cualquier tamaño. Esto permite que la oscuridad interactúe con partículas en escalas de longitud mucho más pequeñas que las longitudes de onda de la luz. Esto podría usarse para proporcionar información no solo sobre el tamaño y la forma de las partículas, sino también sobre su orientación.

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Las singularidades artificiales podrían extenderse más allá de las ondas de luz a otros tipos de ondas.

«También puede crear zonas muertas en ondas de radio o zonas silenciosas en ondas de sonido», dijo Lim. «Esta investigación indica la posibilidad de diseñar topologías complejas en física de ondas más allá de la óptica, desde los haces de electrones hasta la acústica».

Referencia: “Ficha de singularidad de polarización y fase de ingeniería” de Soon Wei Daniel Lim, Joon-Suh Park, Maryna L. Meretska, Ahmed H. Dorrah y Federico Capasso, 7 de julio de 2021, Comunicación de la naturaleza.
DOI: 10.1038 / s41467-021-24493-y

La Oficina de Desarrollo Tecnológico de Harvard ha protegido la propiedad intelectual relacionada con este proyecto y está explorando posibilidades de comercialización.

La investigación fue coautora de Joon-Suh Park, Maryna L. Meretska y Ahmed H. Dorrah. Fue apoyado en parte por la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea con el número de premio FA9550-19-1-0135 y por la Oficina de Investigación Naval (ONR) con el número de premio N00014-20-1 -2450.

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El cazador de exoplanetas TESS de la NASA detecta un sistema de 3 estrellas que bate récords

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El cazador de exoplanetas TESS de la NASA detecta un sistema de 3 estrellas que bate récords

Utilizando la nave espacial de caza de exoplanetas de la NASA, el Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS), los científicos han detectado un sistema estelar triple sin precedentes tan estrechamente relacionado que podría caber cómodamente entre el sol y su planeta más cercano, Mercurio.

El sistema, denominado TIC 290061484, contiene estrellas gemelas que orbitan entre sí una vez cada 1,8 días terrestres, así como una tercera estrella que orbita a este par una vez cada 25 días terrestres. La órbita ultraestrecha de este sistema estelar triple, situado a poco menos de 5.000 años luz de distancia en la constelación del Cisne, el cisne, lo convierte en un récord.

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'Muchas más estructuras antiguas esperan ser descubiertas': se descubre un trozo perdido de fondo marino escondido en el manto de la Tierra frente a la Isla de Pascua

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'Muchas más estructuras antiguas esperan ser descubiertas': se descubre un trozo perdido de fondo marino escondido en el manto de la Tierra frente a la Isla de Pascua

Los científicos han descubierto la «huella fosilizada» de un trozo de fondo marino que se escondía bajo el Océano Pacífico, en el manto de la Tierra.

Un nuevo estudio muestra que esta huella corresponde a una placa de la corteza terrestre que comenzó a hundirse en el manto hace unos 250 millones de años, en los albores de la humanidad. la era de los dinosaurios (Hace 252 millones a 66 millones de años). Esta placa alguna vez fue parte del fondo marino del Pacífico sureste y podría ayudar a explicar una extraña brecha en las secciones más bajas del manto, la capa media de la corteza terrestre que envuelve el núcleo del planeta.

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El Telescopio James Webb considera el 'eslabón perdido' entre los orígenes del universo y las primeras estrellas

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El Telescopio James Webb considera el 'eslabón perdido' entre los orígenes del universo y las primeras estrellas

De hecho, es era Hace mucho tiempo, en una galaxia muy, muy lejana.

El Telescopio Espacial James Webb ha detectado una región particular del espacio que podría ser un «eslabón perdido» de lo que se sabe sobre los primeros días del espacio y sus estrellas de origen.

El descubrimiento «sin precedentes» muestra estrellas en el sistema galáctico GS-NDG-9422 (9422) irradiando una «extraña firma luminosa».

El fenómeno se debe a los gases que eclipsan las estrellas de la galaxia, descubiertos unos mil millones de años después del Big Bang. según la nasa.

«Lo primero que pensé al observar el espectro de la galaxia fue: 'Esto es extraño'», dijo el investigador Alex Cameron sobre el descubrimiento, publicado en «Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society.”


El Telescopio Espacial James Webb, en la foto, ha detectado una galaxia con firmas extrañas consistentes con las primeras estrellas. NASA / Drew Navidad

Añadió que el desenlace «nos ayudará a comprender cómo comenzó la historia cósmica».

Cameron y el teórico Harley Katz comenzaron a utilizar modelos informáticos para ver cómo el gas cósmico podría llegar a calentarse más que sus fuentes solares. Su modelado era una viva imagen de lo que vio el telescopio Webb, algo consistente con las llamadas estrellas de Población III que existieron en el universo primitivo.

«Parece que estas estrellas deben ser mucho más calientes y más masivas que lo que vemos en el universo local, lo cual tiene sentido porque el universo primitivo era un entorno muy diferente», dijo Katz.

En comparación, las estrellas calientes más cercanas a la Tierra tienen temperaturas entre 70.000 y 90.000 grados Fahrenheit. En lo profundo del universo, cerca de la galaxia 9422, estas temperaturas superan los 140.000 grados.

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Esto se debe a lo que los expertos consideran «una breve fase de intensa formación estelar» que crea varias estrellas calientes. Esencialmente, las nubes de gas de la galaxia absorben un volumen tan alto de fotones que se sobrecalientan y eclipsan la fuente, de forma muy parecida al asfalto quemado golpeado por el sol.


Los investigadores han determinado que las nubes de gas en la galaxia GS-NDG-9422 rara vez eclipsan a sus estrellas.
Los investigadores han determinado que las nubes de gas en la galaxia GS-NDG-9422 rara vez eclipsan a sus estrellas. NASA, ESA, ASC, Leah Hustak (STScI)

Aunque 9422 no contiene ninguna estrella de Población III, Katz dijo que sus residentes estelares «son diferentes de lo que conocemos» y tienen un propósito más amplio.

«Las estrellas exóticas de esta galaxia podrían servir como guía para comprender cómo evolucionaron las galaxias desde estrellas primordiales hasta los tipos de galaxias que ya conocemos», añadió.

Y gracias al revolucionario telescopio Webb, esto es sólo el comienzo de una mejor comprensión del espacio profundo y sus orígenes.

«Es un momento muy emocionante poder utilizar el telescopio Webb para explorar esta era en un universo que alguna vez fue inaccesible», dijo Cameron. “Estamos sólo en el comienzo de nuevos descubrimientos y comprensiones. »

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