Ett team ledd av forskare vid University of the Witwatersrand i Johannesburg, Sydafrika, med medarbetare från University of Pretoria (Sydafrika), samt Mexiko och Skottland, har gjort en ny upptäckt om hur ljus beter sig i komplexa medier, media som tenderar att förvränga ljuset avsevärt. De visade att "förvrängning" är en fråga om perspektiv, och beskriver en enkel regel som gäller för allt ljus och ett stort utbud av media, inklusive undervatten, optisk fiber, överföring i atmosfären och till och med genom levande biologiska prover.

Deras nya kvantinställning till problemet löser en stående debatt om huruvida vissa former av ljus är robusta eller inte, vilket korrigerar vissa missuppfattningar i samhället. Viktigt är att verket beskriver att allt ljus har en egenskap som förblir oförändrad, en insikt som håller nyckeln till att reda ut resten av den upplevda förvrängningen. För att validera upptäckten visade teamet robust transport genom annars mycket förvrängande system, och använde resultatet för felfri kommunikation genom bullriga kanaler.

Naturfotonik publicerade idag online forskningen av teamet ledd av professor Andrew Forbes från School of Physics vid Wits University. I sin uppsats förklarar teamet de enkla reglerna som styr komplex ljusspridning i komplexa medier. För det första finner de att alla sådana medier kan behandlas på samma sätt, och att analysen inte beror på vilken typ av ljus som används. Tidigare behandlades varje val av media och ljusstråle som ett specialfall, inte så längre – den nya allmänna teorin täcker allt. För det andra visar de att trots förvrängningen finns det en egenskap hos ljuset – dess "vektoritet" – som förblir oförändrad, oföränderlig för media. Detta är alltid sant och hade inte märkts tidigare. Den håller nyckeln och utnyttjar ljus även under icke-ideala förhållanden.

Om du passerar ljus genom ett ofullkomligt medium, som atmosfären, blir det förvrängt. Till exempel är den skimrande hägringeffekten nära varma vägar eller glimten av stjärnor båda exempel på ljus som blir förvrängt på grund av atmosfärens turbulens. Ljus kan också ibland vara medvetet förvrängt, som speglarna på ett tivoli som får dig att se längre, smalare eller rundare ut. I det här fallet förstår vi alla att förvrängningen bara är en fråga om perspektiv - en snabb blick på oss själva utan spegeln avslöjar verkligheten - men är detta också sant i andra förvrängande system? Finns det något sätt att se på ljuset så att förvrängningen försvinner? Det Wits-ledda teamet visar att ja, vissa egenskaper är aldrig förvrängda, medan andra kan redas ut genom att ändra perspektiv.

Frågan är hur man förstår vad som händer med ljuset, hur det förvrängs och hur man hittar det nya perspektivet? För att svara på dessa frågor använde teamet den mest allmänna formen av ljus som möjligt, vektorljus. Ljus har ett elektriskt fält vars riktning kan variera över fältet, ibland pekar uppåt, nedåt, vänster, höger och så vidare. Ett ljuss "vektoritet" är hur blandad riktningen av det elektriska fältet hos ett ljus är. Med andra ord är det ett mått på hur lika riktningarna för de elektriska fälten i ett ljus är på olika ställen:om det är lika överallt (homogent) är värdet 0, och om det är olika överallt (inhomogent) är värdet är 1. Denna vektoriella homogenitet förändras aldrig, även om själva det elektriska fältets mönster ändras. Anledningen är inbäddad i kvanttrasslade tillstånd, ett ämne som verkar ha lite gemensamt med optiska förvrängningar. Den nya upptäckten möjliggjordes genom att använda verktyg från kvantvärlden till världen av optiska förvrängningar.

"Vad vi har funnit är att vektorn är ljusets enda attribut som inte förändras när det passerar genom några komplexa medier", säger professor Andrew Forbes, från Wits School of Physics. "Detta betyder att vi har något speciellt som kan utnyttjas när vi använder ljus för kommunikation eller avkänning."

"Detta är en speciell aspekt av ljusets mönster - hur polarisationsmönstret ser ut", säger Forbes. "Polariseringen" är bara ett fint sätt att beskriva riktningen för det elektriska fältet som utgör ljuset. Mönstret är också förvrängt, men dess inneboende natur (av homogen eller inhomogen) är det inte."

Teamets tillvägagångssätt tillåter forskare att identifiera hur man korrigerar eventuella snedvridningar genom media på ett sätt som inte kostar något ljus. Det finns med andra ord ingen förlust.

"Vi visar att även om ljuset är mycket förvrängt så är förvrängningen bara en fråga om perspektiv. Man kan se ljuset på ett sådant sätt att det återfår sina ursprungliga "oförvrängda" egenskaper. Det är anmärkningsvärt att komplext ljus i komplexa medier kan vara allmänt förstådd utifrån mycket enkla regler."

Till exempel, genom att bara ändra hur en mätning görs, kan all kommunikation via ett mycket förvrängt medium göras "förvrängningsfri". Detta visade teamet var sant experimentellt genom en rad system, från turbulens till flytande eller optisk fiber. + Utforska vidare

Den perfekta fällan:Ett nytt sätt att kontrollera ljusets polarisering