Es wurden spezielle Lichtwellen erzeugt, die undurchsichtige Materialien durchdringen können

Ein Lichtstrahl tritt durch ein turbulentes Medium und zeigt dem Detektor dasselbe Bild an, das ohne das Medium erfasst wird. Bildnachweis: Allard Musk / Matthias Kohmayer

Forscher der Universität Utrecht und der TU Wien erzeugen spezielle Lichtwellen, die selbst undurchsichtige Materialien durchdringen können, als ob das Material nicht vorhanden wäre.

Warum ist Zucker undurchsichtig? Weil Licht, das in ein Stück Zucker eindringt, auf sehr komplexe Weise gestreut, verändert und abgelenkt wird. Da es nun einem Forschungsteam der TU Wien (Wien) und der Universität Utrecht (Niederlande) gelungen ist, dies zu demonstrieren, gibt es eine Klasse ganz besonderer Lichtwellen, für die dies nicht gilt: für ein bestimmtes turbulentes Medium – wie den Zucker Würfel, den Sie vielleicht gerade in Ihren Kaffee gegeben haben – Speziell entworfene Lichtstrahlen, die praktisch unverändert sind, können von diesem Medium erzeugt werden, werden jedoch nur abgeschwächt. Der Lichtstrahl dringt in die Mitte ein, und ein Lichtmuster auf der anderen Seite hat dieselbe Form als ob das Medium überhaupt nicht vorhanden wäre.

Die Idee von „festen Lichtstreuungsmustern“ kann auch verwendet werden, um das Innere von Objekten spezifisch zu untersuchen. Die Ergebnisse werden jetzt in der Zeitschrift veröffentlicht Naturphotonik.

Zum Vergleich: ein Lichtstrahl ohne Streuung. Bildnachweis: Allard Musk / Matthias Kohmayer

Astronomische Anzahl möglicher Wellenformen

Wellen auf einer turbulenten Wasseroberfläche können unendlich viele verschiedene Formen annehmen – auf ähnliche Weise können auch Lichtwellen in unzähligen verschiedenen Formen erzeugt werden. „Jedes Muster von Lichtwellen ändert und lenkt sich auf ganz bestimmte Weise ab, wenn man es durch ein unorganisiertes Medium sendet“, erklärt Professor Stefan Rutter vom Institut für Theoretische Physik der TU Wien.

Stefan Rutter und sein Team entwickeln mathematische Methoden, um die Auswirkungen der Lichtstreuung zu beschreiben. Das Team um Professor Allard Musk von der Universität Utrecht brachte das erforderliche Fachwissen ein, um solch komplexe optische Felder zu erzeugen und zu charakterisieren. „Als lichtstreuendes Medium haben wir eine Schicht Zinkoxid verwendet – ein undurchsichtiges weißes Pulver aus völlig zufälligen Nanopartikeln“, erklärt Allard Musk, Leiter der experimentellen Forschungsgruppe.

Zunächst müssen Sie diese Ebene genau unterscheiden. Sie strahlen sehr spezifische Lichtsignale durch das Zinkoxidpulver und messen, wie sie den Detektor dahinter erreichen. Daraus können Sie dann schließen, wie eine andere Welle durch dieses Medium verändert wurde – insbesondere können Sie das durch diese Zinkoxidschicht veränderte Wellenmuster so berechnen, als ob die Wellenstreuung in dieser Schicht vollständig fehlen würde.

„ Wie wir zeigen konnten, gibt es eine ganz besondere Klasse von Lichtwellen – die sogenannten statischen Streulichtmoden, die im Detektor genau das gleiche Wellenmuster erzeugen, unabhängig davon, ob die Lichtwelle nur durchgelassen wurde die Luft oder ob sie musste Es dringt in die komplexe Zinkoxidschicht ein „, sagt Stefan Rutter. „Im Experiment sehen wir, dass Zinkoxid die Form dieser Lichtwellen überhaupt nicht verändert – sie werden insgesamt etwas schwächer“, erklärt Allard Musk.

Sternbild im Lichtdetektor

Soweit diese unveränderten Lichtmoden unterschiedlich und selten sind und theoretisch unendlich viele Lichtwellen möglich sind, kann man immer noch viele davon finden. Und wenn Sie mehrere dieser unveränderten Lichtmodi richtig kombinieren, erhalten Sie wieder eine unveränderte Streuwellenform.

„Auf diese Weise können Sie zumindest in gewissen Grenzen völlig frei wählen, welches Bild Sie störungsfrei über das Objekt senden möchten“, sagt Jeroen Bosch, der als Doktorand an dem Experiment gearbeitet hat. Schüler. „Für das Experiment haben wir eine Konstellation als Beispiel gewählt: The Big Dipper. In der Tat war es möglich, eine statische Streuwelle zu bestimmen, die das Bild des Big Dippers an den Detektor sendet, unabhängig davon, ob die Lichtwelle von der gestreut wird Zinkoxidschicht oder nicht. Ungefähr so ​​oder so. „

Schau in den Kerker

Dieses Verfahren kann auch verwendet werden, um die Lichtmuster zu finden, die ein Objekt durchdringen, ohne bei Bildgebungsverfahren stark gestört zu werden. „In Krankenhäusern werden Röntgenstrahlen verwendet, um in den Körper zu schauen – sie haben eine kürzere Wellenlänge und können so in unsere Haut eindringen. Die Art und Weise, wie eine Lichtwelle etwas durchdringt, hängt jedoch nicht nur von der Wellenlänge, sondern auch von der Wellenform ab“, sagt er Matthias Kohmeier, der arbeitet, promoviert. Ein Student in Computersimulationen der Wellenausbreitung. „Wenn Sie Licht innerhalb eines Objekts an bestimmten Punkten fokussieren möchten, eröffnet unsere Methode völlig neue Möglichkeiten. Mit unserem Ansatz ist es auch möglich, die Lichtverteilung innerhalb der Zinkoxidschicht gezielt zu steuern.“ Dies kann für biologische Zwecke interessant sein Experimente, bei denen Sie beispielsweise Licht in ganz bestimmte Punkte bringen möchten, um tief in die Zellen zu schauen.

Die gemeinsame Veröffentlichung von Wissenschaftlern aus den Niederlanden und Österreich zeigt, wie wichtig die internationale Zusammenarbeit zwischen Theorie und Erfahrung ist, um dieses Forschungsfeld voranzutreiben.

Referenz: „Die Dispersion fester Lichtmuster in komplexen Medien“ von Pritam Bay, Jeroen Bosch, Matthias Kohmeyer, Stefan Rutter und Allard P. Musk, 8. April 2021, Naturphotonik.
DOI: 10.1038 / s41566-021-00789-9