Laserstrålar kan användas för att exakt mäta ett objekts position eller hastighet. I vanliga fall, dock, en tydlig, fri sikt av detta objekt krävs – och denna förutsättning är inte alltid uppfylld. Inom biomedicin, till exempel, strukturer undersöks, som är inbäddade i en oregelbunden, komplicerad miljö. Där, laserstrålen avböjs, spridda och brutna, gör det ofta omöjligt att få användbar data från mätningen.

Dock, Utrecht University (Nederländerna) och TU Wien (Wien, Österrike) har nu kunnat visa att meningsfulla resultat kan erhållas även i så komplicerade miljöer. Verkligen, det finns ett sätt att specifikt modifiera laserstrålen så att den levererar exakt den önskade informationen i komplexet, oordnad miljö – och inte bara ungefär, men på ett fysiskt optimalt sätt:Naturen tillåter inte mer precision med koherent laserljus. Den nya tekniken kan användas inom väldigt olika användningsområden, även med olika typer av vågor, och har nu presenterats i den vetenskapliga tidskriften Naturfysik .

Dammsugaren och badrumsfönstret

"Du vill alltid uppnå bästa möjliga mätnoggrannhet - det är en central del av all naturvetenskap, " säger Stefan Rotter från TU Wien. "Låt oss tänka, till exempel, av den enorma LIGO-anläggningen, som används för att detektera gravitationsvågor:Där, du skickar laserstrålar till en spegel, och förändringar i avståndet mellan lasern och spegeln mäts med extrem precision." Detta fungerar bara så bra eftersom laserstrålen skickas genom ett ultrahögt vakuum. Eventuella störningar, spelar ingen roll hur liten, är att undvika.

Men vad kan man göra när man har att göra med störningar som inte går att få bort? "Låt oss föreställa oss en glaspanel som inte är helt genomskinlig, men grovt och opolerat som ett badrumsfönster", säger Allard Mosk från Utrecht University. "Ljus kan passera igenom, men inte i en rak linje. Ljusvågorna förändras och sprids, så vi kan inte exakt se ett föremål på andra sidan fönstret med blotta ögat." Situationen är ganska liknande när du vill undersöka små föremål inuti biologisk vävnad:den oordnade miljön stör ljusstrålen. Det enkla, vanlig rak laserstråle blir då ett komplicerat vågmönster som avböjs åt alla håll.

Den optimala vågen

Dock, om du vet exakt vad den störande miljön gör med ljusstrålen, du kan vända situationen:Då är det möjligt att skapa ett komplicerat vågmönster istället för det enkla, rak laserstråle, som förvandlas till exakt önskad form på grund av störningarna och träffar precis där den kan leverera det bästa resultatet. "För att uppnå detta, du behöver inte ens veta exakt vad störningarna är, "Dorian Bouchet, den första författaren till studien förklarar. "Det räcker att först skicka en uppsättning provvågor genom systemet för att studera hur de förändras av systemet."

Forskarna som är involverade i detta arbete utvecklade tillsammans en matematisk procedur som sedan kan användas för att beräkna den optimala vågen från dessa testdata:"Du kan visa att det för olika mätningar finns vissa vågor som levererar maximalt med information som, t.ex., på de rumsliga koordinaterna där ett visst objekt befinner sig."

Ta till exempel ett föremål som är gömt bakom en grumlig glasruta:det finns en optimal ljusvåg som kan användas för att få maximal information om objektet har flyttat sig lite åt höger eller lite åt vänster. Den här vågen ser komplicerad och oordnad ut, men modifieras då av den grumliga rutan på ett sådant sätt att den kommer fram till föremålet på exakt önskat sätt och återför största möjliga information till den experimentella mätapparaten.

Laserexperiment i Utrecht

Att metoden faktiskt fungerar bekräftades experimentellt vid Utrecht University:Laserstrålar riktades genom ett oordnat medium i form av en grumlig platta. Mediets spridningsbeteende karakteriserades därigenom, sedan beräknades de optimala vågorna för att analysera ett föremål bortom plattan – och detta lyckades, med en precision inom nanometerområdet.

Sedan genomförde teamet ytterligare mätningar för att testa gränserna för deras nya metod:Antalet fotoner i laserstrålen reducerades avsevärt för att se om man då fortfarande får ett meningsfullt resultat. På det här sättet, de kunde visa att metoden inte bara fungerar, men är till och med optimal i fysisk mening:"Vi ser att precisionen i vår metod endast begränsas av det så kallade kvantbruset, " förklarar Allard Mosk. "Det här bruset beror på det faktum att ljus består av fotoner - ingenting kan göras åt det. Men inom gränserna för vad kvantfysiken tillåter oss att göra för en koherent laserstråle, vi kan faktiskt beräkna de optimala vågorna för att mäta olika saker. Inte bara positionen, men också rörelsen eller rotationsriktningen för föremål."

Dessa resultat erhölls inom ramen för ett program för nanometerskala avbildning av halvledarstrukturer, där universiteten samarbetar med industrin. Verkligen, möjliga användningsområden för denna nya teknik inkluderar mikrobiologi men även tillverkning av datachips, där extremt exakta mätningar är oumbärliga.