光学器件和材料使科学家和工程师能够利用光进行研究和实际应用，如传感和显微镜。哈佛大学约翰·a·保尔森工程应用科学学院(SEAS)的费德里科·卡帕索(Federico Capasso)团队多年来一直致力于发明更强大、更复杂的光学方法和工具。现在，他的团队已经开发出新的技术，利用超表面来控制黑暗点，而不是光明点。
电磁场中的暗区，或光学奇点，由于其复杂的结构和难以塑造和雕刻，传统上构成了挑战。然而，这些奇点在遥感和精密测量等领域具有突破性应用的潜力，”卡帕索说，他是罗伯特·l·华莱士应用物理学教授和海洋海洋学院电子工程高级研究员，也是两篇描述这项工作的新论文的高级通讯作者。
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，他们使用超表面制造高性能超透镜——由纳米柱组成的平面光学透镜，他们使用半导体光刻技术制造——这开启了一种使用极轻设备聚焦光的新策略。
卡帕索小组发表在《自然通讯与科学进展》杂志上的最新研究报告了超表面技术不仅可以利用光，还可以利用黑暗。
“这两项研究都引入了新型的光学奇点——设计的黑暗区域——使用强大但直观的算法来通知超表面的制造，”Soon Wei Daniel Lim说，他是与Joon-Suh Park共同发表在《自然通讯》上的论文的第一作者。
在这项研究中，Lim和合作者设计并制造了一种包含二氧化钛纳米柱超表面的光学装置，这种装置可以控制光，从而产生一系列光学奇点。
为了精确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对超表面的设计进行逆向工程。
他说:“我告诉计算机:这是我想要实现的黑点，告诉我在这个超表面上纳米柱应该是什么形状和直径才能实现这一目标。”
当光线穿过超表面和透镜时，它会产生一系列规定的黑点。
“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结构，用紧凑、轻便的光学设备取代今天的传统设备——在实验室桌子上占用30英尺空间的仪器。”
黑点不仅仅是用来捕获原子。它们也可以作为成像的高精度参考位置。
“黑暗的点比光明的点小得多，”林说。“作为成像系统的一部分，这使它们成为有效的测量点，可以准确区分样品中的两个不同位置。”
在他们的《科学进展》论文中，卡帕索小组描述了一类新的光学奇点:偏振光场中极其稳定的黑暗点，称为偏振奇点。
该论文的第一作者Christina Spaegele说:“我们设计了可以承受大范围扰动的黑暗点——它们在拓扑结构上受到保护。”“这种坚固性为在各种应用中具有高可靠性和耐用性的光学器件开辟了道路。”
之前的研究取得了一些偏振奇点，但维持完美的黑暗点的条件非常脆弱，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不动的偏振奇点——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，即使在超表面上引入缺陷也不会破坏黑点，而只是改变它的位置。
Spaegele说:“这种程度的控制对于在‘恶劣’环境中成像样品特别有用，因为振动、压力、温度和杂散光通常会干扰成像行为。”
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。
卡帕索说:“在成像场景时，黑暗的点可以用来掩盖明亮的光源，让我们看到原本被遮蔽的微弱物体。”“放置在这些黑暗位置的物体或探测器也不会因散射光线而暴露它们的位置，从而使它们在不影响周围光线的情况下被‘隐藏’起来。”
