Sådan bøjer du bølger for at nå frem til det rigtige sted

Bølger spredes ikke altid ensartet i alle retninger, men kan danne en bemærkelsesværdig "forgrenet strømning." På TU Wien (Wien) er der nu blevet udviklet en metode til at kontrollere dette fænomen.

I det frie rum, lysbølgen af ​​en laserstråle formerer sig på en helt lige linje. Under visse omstændigheder, imidlertid, en bølges adfærd kan være meget mere kompliceret. I nærvær af en uorden, uregelmæssigt miljø opstår der et meget mærkeligt fænomen:En indkommende bølge deler sig i flere stier, det forgrener sig på en kompliceret måde, når nogle steder med høj intensitet, mens man næsten helt undgår andre.

Denne form for "forgrenet strømning" er først blevet observeret i 2001. Forskere ved TU Wien (Wien) har nu udviklet en metode til at udnytte denne effekt. Kernetanken med denne nye tilgang er at sende et bølgesignal udelukkende langs en enkelt forudvalgt gren, sådan at bølgen næppe er mærkbar andre steder. Resultaterne er nu blevet offentliggjort i tidsskriftet PNAS .

Fra kvantepartikler til tsunamier

"Oprindeligt, denne effekt blev opdaget, når man studerede elektroner, der bevægede sig som kvantebølger gennem små mikrostrukturer, "siger prof. Stefan Rotter fra Institut for Teoretisk Fysik ved TU Wien." Sådanne strukturer, imidlertid, er aldrig perfekte, og de kommer altid med visse ufuldkommenheder; og overraskende, disse ufuldkommenheder får elektronbølgen til at dele sig i grene - en effekt, der kaldes forgrenet strømning. "

Snart viste det sig, at dette bølgefænomen ikke kun forekommer i kvantefysikken. I princippet kan det forekomme med alle typer bølger og på helt forskellige længdeskalaer. Hvis, for eksempel, laserstråler sendes ind i overfladen af ​​en sæbeboble, de delte sig i flere delstråler, ligesom tsunamibølger i havet:sidstnævnte spredes ikke regelmæssigt over havet, men i stedet rejser de i en kompliceret, forgrenet mønster, der afhænger af den tilfældige form af det bølgede havbund. Som resultat, det kan ske, at en fjern ø rammes meget hårdt af en tsunami, mens naboøen kun nås med meget svagere bølgefronter.

"Vi ville vide, om disse bølger kan manipuleres på en sådan måde, at de kun bevæger sig langs en enkelt valgt gren, i stedet for at sprede sig langs et helt forgrenet netværk af stier i helt forskellige retninger, "siger Andre Brandstötter (TU Wien), første forfatter til publikationen. "Og som det viser sig, det er virkelig muligt at målrette mod individuelle grene på en kontrolleret måde. "

Analyser og tilpas

Den nye procedure tager kun to trin:For det første bølgen får lov til at forgrene sig på alle mulige stier som normalt. På et af de steder, der nås med høj intensitet, bølgen måles i detaljer. Metoden udviklet på TU Wien kan derefter bruges til at beregne, hvordan bølgen skal formes ved oprindelsen, så det i det andet trin kan sendes ad en valgt sti, samtidig undgås alle andre veje.

"Vi brugte numeriske simuleringer til at vise, hvordan vi finder en bølge, der opfører sig præcis, som vi vil have den. Denne tilgang kan anvendes ved hjælp af en række forskellige metoder, "siger Stefan Rotter." Du kan implementere det med lysbølger, der justeres med specielle spejlesystemer eller med lydbølger, som du genererer med et system med koblede højttalere. Ekkolodbølger i havet ville også være et muligt anvendelsesområde. Under alle omstændigheder, de nødvendige teknologier er allerede tilgængelige. "

Med denne nye metode, alle disse forskellige typer bølger kunne sendes ud ad en enkelt bane, der er forudvalgt fra et komplekst netværk af stier. "Denne bane behøver ikke engang at være lige, "forklarer Andre Brandstötter." Mange af de mulige stier er buede - uregelmæssighederne i omgivelserne fungerer som et sæt linser, hvormed bølgen fokuseres og afbøjes igen og igen. "

Selv pulserede signaler kan sendes ad disse særlige stier, sådan at information kan overføres målrettet. Dette garanterer, at et bølgesignal ankommer præcis, hvor det formodes at blive modtaget; andre steder kan det næsten ikke opdages, hvilket gør aflytning meget vanskeligere.