Forskere skaber lysbølger, der kan trænge igennem selv uigennemsigtige materialer

Hvorfor er sukker ikke gennemsigtigt? Fordi lys, der trænger ind i et stykke sukker, spredes, ændret og afbøjet på en meget kompliceret måde. Imidlertid, som et forskerhold fra TU Wien (Wien) og Utrecht University (Holland) nu har kunnet vise, der er en klasse af meget specielle lysbølger, som dette ikke gælder for:for et hvilket som helst bestemt uordnet medie – såsom den sukkerbit, du måske lige har puttet i din kaffe – kan der konstrueres skræddersyede lysstråler, der praktisk talt ikke ændres af dette medie, men kun dæmpet. Lysstrålen trænger ind i mediet, og der kommer et lysmønster på den anden side, der har samme form, som hvis mediet slet ikke var der.

Denne idé om "spredning-invariante lystilstande" kan også bruges til specifikt at undersøge det indre af objekter. Resultaterne er nu offentliggjort i tidsskriftet Naturfotonik .

Et astronomisk antal mulige bølgeformer

Bølgerne på en turbulent vandoverflade kan antage et uendeligt antal forskellige former - og på en lignende måde, lysbølger kan også laves i utallige forskellige former. "Hvert af disse lysbølgemønstre ændres og afbøjes på en meget specifik måde, når du sender det gennem et uordnet medium, " forklarer prof. Stefan Rotter fra Institut for Teoretisk Fysik ved TU Wien.

Sammen med sit team, Stefan Rotter er ved at udvikle matematiske metoder til at beskrive sådanne lysspredningseffekter. Ekspertisen til at producere og karakterisere sådanne komplekse lysfelter blev bidraget af teamet omkring prof. Allard Mosk ved Utrecht University. "Som lysspredende medium, vi brugte et lag zinkoxid - et uigennemsigtigt, hvidt pulver af helt tilfældigt arrangerede nanopartikler, " forklarer Allard Mosk, lederen af ​​den eksperimentelle forskningsgruppe.

Først, du skal karakterisere dette lag præcist. Du lyser meget specifikke lyssignaler gennem zinkoxidpulveret og måler, hvordan de ankommer til detektoren bagved. Fra dette, du kan derefter konkludere, hvordan en hvilken som helst anden bølge ændres af dette medie – især, du kan beregne specifikt, hvilket bølgemønster der ændres af dette zinkoxidlag, præcis som om bølgespredning var fuldstændig fraværende i dette lag.

"Som vi var i stand til at vise, der er en meget speciel klasse af lysbølger - de såkaldte sprednings-invariante lystilstande, som producerer nøjagtigt det samme bølgemønster ved detektoren, uanset om lysbølgen kun blev sendt gennem luft, eller om den skulle trænge igennem det komplicerede zinkoxidlag, " siger Stefan Rotter. "I eksperimentet, vi ser, at zinkoxidet faktisk slet ikke ændrer formen på disse lysbølger - de bliver bare lidt svagere generelt, " forklarer Allard Mosk.

En stjernekonstellation ved lysdetektoren

Så specielle og sjældne som disse sprednings-invariante lystilstande kan være, med det teoretisk ubegrænsede antal mulige lysbølger, man kan stadig finde mange af dem. Og hvis du kombinerer flere af disse sprednings-invariante lystilstande på den rigtige måde, du får en sprednings-invariant bølgeform igen.

"På denne måde i det mindste inden for visse grænser, du kan frit vælge hvilket billede du vil sende gennem objektet uden forstyrrelser, siger Jeroen Bosch, der arbejdede på forsøget som ph.d. studerende. "Til eksperimentet valgte vi en konstellation som eksempel:The Big Dipper. Og faktisk, det var muligt at bestemme en sprednings-invariant bølge, der sender et billede af Big Dipper til detektoren, uanset om lysbølgen er spredt af zinkoxidlaget eller ej. Til detektoren, lysstrålen ser næsten ens ud i begge tilfælde."

Et kig ind i cellen

Denne metode til at finde lysmønstre, der penetrerer et objekt stort set uforstyrret, kunne også bruges til billeddannelsesprocedurer. "På hospitaler Røntgenstråler bruges til at se ind i kroppen - de har en kortere bølgelængde og kan derfor trænge ind i vores hud. Men måden en lysbølge trænger ind i et objekt afhænger ikke kun af bølgelængden, men også på bølgeformen, siger Matthias Kühmayer, der arbejder som ph.d. studerende på computersimuleringer af bølgeudbredelse. "Hvis du ønsker at fokusere lys inde i et objekt på bestemte punkter, så åbner vores metode helt nye muligheder. Vi var i stand til at vise, at ved hjælp af vores tilgang kan lysfordelingen inde i zinkoxidlaget også kontrolleres specifikt." Dette kunne være interessant for biologiske eksperimenter, for eksempel, hvor du ønsker at introducere lys på meget specifikke punkter for at se dybt inde i celler.

Hvad den fælles publikation af forskerne fra Holland og Østrig allerede viser, er, hvor vigtigt internationalt samarbejde mellem teori og eksperiment er for at opnå fremskridt på dette forskningsområde.