Lys, der rejser i et forvrængende medie, kan forekomme uforvrænget

Et hold ledet af forskere ved University of the Witwatersrand i Johannesburg, Sydafrika, med samarbejdspartnere fra University of Pretoria (Sydafrika), samt Mexico og Skotland, har gjort en ny opdagelse om, hvordan lys opfører sig i komplekse medier, medier der har tendens til at forvrænge lyset betydeligt. De demonstrerede, at "forvrængning" er et spørgsmål om perspektiv, og skitserer en simpel regel, der gælder for alt lys og en bred vifte af medier, herunder undervands, optiske fibre, transmission i atmosfæren og endda gennem levende biologiske prøver.

Deres nye kvantetilgang til problemet løser en stående debat om, hvorvidt nogle former for lys er robuste eller ej, og korrigerer nogle misforståelser i samfundet. Det er vigtigt, at værket skitserer, at alt lys har en egenskab, der forbliver uændret, en indsigt, der holder nøglen til at optrevle resten af ​​den opfattede forvrængning. For at validere resultatet viste holdet robust transport gennem ellers stærkt forvrængende systemer ved at bruge resultatet til fejlfri kommunikation gennem støjende kanaler.

Naturfotonik offentliggjorde i dag online forskningen fra holdet ledet af professor Andrew Forbes fra School of Physics ved Wits University. I deres papir forklarer holdet de enkle regler, der styrer kompleks lysudbredelse i komplekse medier. For det første finder de, at alle sådanne medier kan behandles på samme måde, og at analysen ikke afhænger af, hvilken type lys der anvendes. Tidligere blev hvert valg af medier og lysstråle behandlet som et særligt tilfælde, ikke længere – den nye generelle teori dækker det hele. For det andet viser de, at på trods af forvrængningen er der en egenskab ved lyset - dets "vektoritet" - som forbliver uændret, uændret for medierne. Dette er altid sandt og var ikke blevet bemærket før. Den har nøglen til at udnytte lyset selv under ikke-ideelle forhold.

Hvis du sender lys gennem et ufuldkomment medium, såsom atmosfæren, bliver det forvrænget. For eksempel er den glitrende fatamorgana-effekt nær varme veje eller glimt af stjerner begge eksempler på lys, der bliver forvrænget på grund af atmosfærens turbulens. Lys kan også nogle gange være bevidst forvrænget, som spejlene på et tivoli, der får dig til at se højere, tyndere eller rundere ud. I dette tilfælde forstår vi alle, at forvrængningen kun er et spørgsmål om perspektiv - et hurtigt blik på os selv uden spejlet afslører virkeligheden - men er dette også sandt i andre forvrængende systemer? Er der en måde at se på lyset, så forvrængningen forsvinder? Det Wits ledede team viser, at ja, nogle egenskaber bliver aldrig forvrænget, mens andre kan optrevles ved et skift af perspektiv.

Spørgsmålet er, hvordan man forstår, hvad der sker med lyset, hvordan det forvrænges, og hvordan man finder det nye perspektiv? For at besvare disse spørgsmål brugte holdet den mest generelle form for lys som muligt, vektorielt lys. Lys har et elektrisk felt, hvis retning kan variere på tværs af feltet, nogle gange peger opad, nedad, venstre, højre, og så videre. Et lyss "vektorhed" er, hvor blandet retningen af ​​et lyss elektriske felt er. Med andre ord er det et mål for, hvor ens retningerne af et lyss elektriske felter er forskellige steder:hvis det er ens overalt (homogen) er værdien 0, og hvis den er forskellig overalt (inhomogen) er værdien er 1. Denne vektorielle homogenitet ændres aldrig, selvom selve det elektriske felts mønster ændres. Årsagen er indlejret i kvantesammenfiltrede tilstande, et emne, der ser ud til at have lidt til fælles med optiske forvrængninger. Den nye opdagelse blev gjort mulig ved at anvende værktøjer fra kvanteverdenen til verden af ​​optiske forvrængninger.

"Det, vi har fundet, er, at vektoriteten er lysets eneste egenskab, der ikke ændres, når det passerer gennem komplekse medier," siger professor Andrew Forbes, fra Wits School of Physics. "Det betyder, at vi har noget særligt, som kan udnyttes, når vi bruger lys til kommunikation eller sansning."

"Dette er et særligt aspekt af lysets mønster - hvordan polarisationsmønsteret ser ud," siger Forbes. "'Polariseringen' er bare en fancy måde at beskrive retningen af ​​det elektriske felt, der udgør lyset. Mønstret er også forvrænget, men dets iboende karakter (af homogen eller inhomogen) er det ikke."

Holdets tilgang giver forskere mulighed for at identificere, hvordan man korrigerer eventuelle forvrængninger gennem medierne på en måde, der ikke koster noget lys. Der er med andre ord intet tab.

"Vi viser, at selvom lyset er meget forvrænget, er forvrængningen kun et spørgsmål om perspektiv. Man kan se lyset på en sådan måde, at det genvinder sine oprindelige 'uforvrænget' egenskaber. Det er bemærkelsesværdigt, at komplekst lys i komplekse medier kan være universelt forstået ud fra meget enkle regler."

For eksempel, ved blot at ændre, hvordan en måling foretages, kan enhver kommunikation gennem et meget forvrænget medie gøres "forvrængningsfri". Dette viste holdet var sandt eksperimentelt gennem en række systemer, fra turbulens til flydende eller optisk fiber. + Udforsk yderligere

Den perfekte fælde:En ny måde at kontrollere lysets polarisering