Varför är socker inte transparent? Eftersom ljus som tränger in i en bit socker sprids, ändras och avböjs på ett mycket komplicerat sätt. Dock, som ett forskargrupp från TU Wien (Wien) och Utrecht University (Nederländerna) nu har kunnat visa, det finns en klass av mycket speciella ljusvågor för vilka detta inte gäller:för något specifikt stört medium-till exempel sockerbiten du kanske bara har lagt i ditt kaffe-kan skräddarsydda ljusstrålar konstrueras som praktiskt taget inte ändras av detta medium, men bara dämpad. Ljusstrålen tränger igenom mediet, och ett ljust mönster anländer på andra sidan som har samma form som om mediet inte alls var där.

Denna idé om "spridning-invarianta ljusmetoder" kan också användas för att specifikt undersöka det inre av föremål. Resultaten har nu publicerats i tidskriften Nature Photonics .

Ett astronomiskt antal möjliga vågformer

Vågorna på en turbulent vattenyta kan anta oändligt många olika former - och på liknande sätt, ljusvågor kan också göras i otaliga olika former. "Var och en av dessa ljusvågsmönster förändras och avböjes på ett mycket specifikt sätt när du skickar det genom ett oordnat medium, "förklarar professor Stefan Rotter från Institutet för teoretisk fysik vid TU Wien.

Tillsammans med sitt team, Stefan Rotter utvecklar matematiska metoder för att beskriva sådana ljusspridningseffekter. Expertisen att producera och karakterisera sådana komplexa ljusfält bidrog med teamet kring Prof. Allard Mosk vid Utrecht University. "Som ett ljusspridande medium, vi använde ett lager zinkoxid - en ogenomskinlig, vitt pulver av helt slumpmässigt arrangerade nanopartiklar, " förklarar Allard Mosk, chefen för den experimentella forskargruppen.

Först, du måste karaktärisera detta lager exakt. Du lyser mycket specifika ljussignaler genom zinkoxidpulvret och mäter hur de når fram till detektorn bakom det. Från detta, du kan sedan dra slutsatsen hur någon annan våg förändras av detta medium – i synnerhet, du kan beräkna specifikt vilket vågmönster som ändras av detta zinkoxidlager exakt som om vågspridning helt saknades i detta lager.

"Som vi kunde visa, det finns en mycket speciell klass av ljusvågor-de så kallade spridningsinvarianta ljuslägena, som producerar exakt samma vågmönster vid detektorn, oavsett om ljusvågen bara skickades genom luften eller om den måste tränga igenom det komplicerade zinkoxidskiktet, "säger Stefan Rotter." I experimentet, vi ser att zinkoxiden faktiskt inte ändrar formen på dessa ljusvågor alls - de blir bara lite svagare totalt sett, " förklarar Allard Mosk.

En stjärnkonstellation vid ljusdetektorn

Så speciella och sällsynta som dessa spridningsinvarianta ljuslägen kan vara, med det teoretiskt obegränsade antalet möjliga ljusvågor, man kan fortfarande hitta många av dem. Och om du kombinerar flera av dessa spridningsinvarianta ljuslägen på rätt sätt, du får en spridningsinvariant vågform igen.

"På det här sättet, åtminstone inom vissa gränser, du är ganska fri att välja vilken bild du vill skicka genom objektet utan störningar, säger Jeroen Bosch, som arbetade med experimentet som doktorand. studerande. "För experimentet valde vi en konstellation som exempel:The Big Dipper. Och faktiskt, det var möjligt att bestämma en spridningsinvariant våg som skickar en bild av Big Dipper till detektorn, oavsett om ljusvågen sprids av zinkoxidskiktet eller inte. Till detektorn, ljusstrålen ser nästan likadan ut i båda fallen. "

En titt inuti cellen

Denna metod för att hitta ljusmönster som penetrerar ett föremål i stort sett ostört kan också användas för avbildningsprocedurer. "På sjukhus, Röntgenstrålar används för att titta in i kroppen-de har en kortare våglängd och kan därför tränga in i vår hud. Men hur en ljusvåg penetrerar ett objekt beror inte bara på våglängden, men också på vågformen, "säger Matthias Kühmayer, som arbetar som doktorand student på datasimuleringar av vågutbredning. "Om du vill fokusera ljus inuti ett föremål vid vissa punkter, då öppnar vår metod upp helt nya möjligheter. Vi kunde visa att med vårt tillvägagångssätt kan ljusfördelningen inuti zinkoxidskiktet också kontrolleras specifikt. "Detta kan vara intressant för biologiska experiment, till exempel, där du vill införa ljus på mycket specifika punkter för att titta djupt inuti celler.

Vad den gemensamma publikationen av forskarna från Nederländerna och Österrike redan visar är hur viktigt internationellt samarbete mellan teori och experiment är för att nå framsteg inom detta forskningsområde.