Почему сахар не прозрачный? Потому что свет, проникающий через кусок сахара, очень сложным образом рассеивается, изменяется и отклоняется.
Однако, как теперь смогла показать исследовательская группа из Венского технического университета (Вена) и Утрехтского университета (Нидерланды), существует класс очень специальных световых волн, к которым это не применимо: для любой конкретной неупорядоченной среды, такой как кубик сахара, который вы, возможно, только что положили в свой кофе – можно создать индивидуальные световые лучи, которые практически не изменяются этой средой, а только ослабляются. Луч света проникает в среду, и на другой стороне появляется световой узор, имеющий такую же форму, как если бы среды вообще не было.
Идея «инвариантных к рассеянию мод света» также может быть использована для специального исследования внутренней части объектов. Результаты опубликованы в журнале Nature Photonics.
Астрономически много возможных форм волн
Волны на турбулентной водной поверхности могут принимать бесконечное количество различных форм – и точно так же световые волны могут иметь бесчисленное множество различных форм. «Каждый из этих паттернов световых волн изменяется и отклоняется очень специфическим образом, когда вы посылаете их через неупорядоченную среду», – объясняет проф. Стефан Роттер из Института теоретической физики Венского технического университета.
Вместе со своей командой Стефан Роттер разрабатывает математические методы для описания таких эффектов рассеяния света.
Опыт в создании и описании таких сложных световых полей был внесен командой проф. Аллард Моск в Утрехтском университете. «В качестве светорассеивающей среды мы использовали слой оксида цинка – непрозрачный белый порошок из совершенно случайно расположенных наночастиц», – объясняет Аллард Моск, руководитель экспериментальной исследовательской группы.
Во-первых, вы должны точно охарактеризовать этот слой. Вы пропускаете очень специфические световые сигналы через порошок оксида цинка и измеряете, как они попадают на расположенный за ним детектор.
Исходя из этого, вы можете сделать вывод, как эта среда изменяет любую другую волну – в частности, вы можете точно рассчитать, какая волновая картина изменяется этим слоем оксида цинка, точно так, как если бы рассеяние волн полностью отсутствовало в этом слое.
"Как мы смогли показать, существует особый класс световых волн – так называемые световые моды, инвариантные к рассеянию, которые создают точно такую же волновую картину на детекторе, независимо от того, проходила ли световая волна только через воздух или он должен был проникнуть через сложный слой оксида цинка », – говорит Стефан Роттер. «В ходе эксперимента мы видим, что оксид цинка на самом деле вообще не меняет форму этих световых волн – они просто становятся немного слабее в целом», – объясняет Аллард Моск.
Звездное созвездие у детектора света
Какими бы особенными и редкими ни были эти инвариантные к рассеянию световые моды, с теоретически неограниченным числом возможных световых волн, все же можно найти многие из них. И если вы правильно скомбинируете несколько из этих инвариантных к рассеянию световых мод, вы снова получите форму волны, инвариантной к рассеянию.
«Таким образом, по крайней мере в определенных пределах, вы можете совершенно свободно выбирать, какое изображение вы хотите отправить через объект без помех», – говорит Йерун Бош, который работал над экспериментом в качестве доктора философии.D. ученик. «Для эксперимента мы выбрали созвездие в качестве примера: Большая Медведица.
И действительно, удалось определить инвариантную к рассеянию волну, которая отправляет изображение Большой Медведицы на детектор, независимо от того, рассеивается световая волна слоем оксида цинка или нет. Для детектора световой луч в обоих случаях выглядит почти одинаково."
Взгляд внутрь камеры
Этот метод поиска световых узоров, которые проникают в объект, который практически не нарушается, также может быть использован для процедур визуализации. "В больницах рентгеновские лучи используются, чтобы заглядывать внутрь тела – они имеют более короткую длину волны и поэтому могут проникать через нашу кожу. Но то, как световая волна проникает в объект, зависит не только от длины волны, но и от формы волны », – говорит Маттиас Кухмайер, доктор философии.D. студент по компьютерному моделированию распространения волн. «Если вы хотите сфокусировать свет внутри объекта в определенных точках, то наш метод открывает совершенно новые возможности.
Мы смогли показать, что с помощью нашего подхода распределение света внутри слоя оксида цинка также можно специально контролировать."Это может быть интересно для биологических экспериментов, например, когда вы хотите ввести свет в очень определенные точки, чтобы заглянуть глубоко внутрь клеток.
Совместная публикация ученых из Нидерландов и Австрии уже показывает, насколько важно международное сотрудничество теории и эксперимента для достижения прогресса в этой области исследований.