mai 12, 2021

Nettnord.no

Næringsnett Nord-Troms

Indestructible Light Beam

Det opprettes spesielle lysbølger som kan trenge gjennom selv ugjennomsiktige materialer

Lysstrålen passerer gjennom et uordnet medium og projiserer det samme bildet på detektoren som ville bli oppdaget uten mediet. Kreditt: Allard Mosk / Matthias Kühmayer

Forskere ved Universitetet i Utrecht og TU Wien (Wien) lager spesielle lysbølger som kan trenge gjennom selv ugjennomsiktige materialer som om materialet ikke engang var der.

Hvorfor er sukker ikke gjennomsiktig? Fordi lyset som trenger inn i et sukkerbit er spredt, endret og avbøyd på en veldig komplisert måte. Som et forskergruppe fra TU Wien (Wien) og Utrecht University (Nederland) har klart å demonstrere, er det en veldig spesiell klasse med lysbølger som dette ikke gjelder for: for noe spesifikt rotete medium, Som sukkerterningen du bare legger inn kaffen din: lysstråler kan bygges ettersom de praktisk talt ikke modifiseres av dette mediet, men bare dempes. Lysstrålen trenger inn i mediet og et lysmønster når den andre siden som har samme form som om mediet ikke var der.

Denne ideen om “spredning av uforanderlige lysmodi” kan også brukes til å spesifikt undersøke det indre av objekter. Resultatene er allerede publisert i tidsskriftet. Naturens fotonikk.

Lysstråle uten spredning

Til sammenligning: lysstrålen uten spredning. Kreditt: Allard Mosk / Matthias Kühmayer

Et astronomisk antall mulige bølgeformer.

Bølger på en turbulent vannflate kan ta uendelig mange forskjellige former, og på samme måte kan lysbølger også dannes i utallige forskjellige former. “Hvert av disse lysbølgemønstrene endres og avviker på en veldig spesifikk måte når det sendes gjennom et uordnet medium,” forklarer professor Stefan Rotter fra TU Wien Institute for Theoretical Physics.

Sammen med teamet sitt utvikler Stefan Rotter matematiske metoder for å beskrive slike lysspredningseffekter. Kompetansen til å produsere og karakterisere slike komplekse lysfelt ble levert av professor Allard Mosk team fra Utrecht University. “Som et middel for å spre lyset, bruker vi et lag sinkoksid, et ugjennomsiktig hvitt pulver av nanopartikler ordnet helt tilfeldig,” forklarer Allard Mosk, direktør for den eksperimentelle forskningsgruppen.

READ  NASA publiserer lydopptak av de første lydene fra vinden og lasere fanget på Mars

Først må du karakterisere dette laget nøyaktig. Du skinner veldig spesifikke lyssignaler gjennom sinkoksydstøvet og måler hvordan de når detektoren bak. Fra dette kan du konkludere med hvordan enhver annen bølge endres på denne måten; spesielt kan den spesifikt beregne hvilket bølgemønster dette sinkoksydlaget endres nøyaktig som om bølgedispersjonen var helt fraværende i dette laget.

“Som vi var i stand til å vise, er det en veldig spesiell klasse med lysbølger: de såkalte spredende invariante lysmodusene, som produserer nøyaktig det samme bølgemønsteret i detektoren, uavhengig av om lysbølgen nettopp ble sendt gjennom luften … eller om det måtte trenge gjennom det kompliserte sinkoksydlaget, sier Stefan Rotter. “I eksperimentet ser vi at sinkoksid ikke endrer formen på disse lysbølgene i det hele tatt, de svekker bare litt generelt,” forklarer Allard Mosk.

En stjernekonstellasjon i lysdetektoren.

Så spesiell og sjelden som disse sprednings-uforanderlige lysmodusene kan være, med det teoretisk ubegrensede antallet mulige lysbølger, kan mange av dem fremdeles bli funnet. Og hvis du kombinerer flere av disse spredte uvariøse lysmodusene på riktig måte, vil du igjen få en spredt invariant bølgeform.

“På denne måten, i det minste innenfor visse grenser, har du ganske mye frihet til å velge hvilket bilde du vil sende gjennom objektet uten forstyrrelser,” sier Jeroen Bosch, som jobbet med eksperimentet som en Ph.D. student. “For eksperimentet valgte vi en konstellasjon som eksempel: Ursa Major. Og det var faktisk mulig å bestemme en uforanderlig spredningsbølge som sender et bilde fra Big Dipper til detektoren, uavhengig av om lysbølgen er spredt av sinkoksydlaget eller ikke. For detektoren ser lysstrålen nesten ut i begge tilfeller. “

READ  Fugleinfluensa: Russland forteller HVEM det har oppdaget det første tilfellet av belastningen hos mennesker

Et blikk inne i cellen

Denne metoden for å finne lysmønstre som trenger gjennom et objekt stort sett uforstyrret, kan også brukes til bildebehandling. “På sykehus brukes røntgenstråler for å se inn i kroppen; de har en kortere bølgelengde og kan derfor trenge gjennom huden vår. Men måten en lysbølge trenger inn i et objekt, avhenger ikke bare av bølgelengden, men også av bølgeformen, sier Matthias Kühmayer, som jobber som doktorgrad. student i datasimuleringer av bølgeforplantning. “Hvis du vil fokusere lys i et objekt på bestemte punkter, åpner vår metode helt nye muligheter. Vi var i stand til å vise at distribusjonen av lys i sinkoksydlaget med vår tilnærming også kan styres spesifikt. “Dette kan være interessant for biologiske eksperimenter, for eksempel hvor du vil introdusere lys på veldig spesifikke punkter. Å se inne i celler.

Det den felles publikasjonen fra forskere fra Nederland og Østerrike allerede viser, er viktigheten av internasjonalt samarbeid mellom teori og eksperimenter for å fremme dette forskningsområdet.

Referanse: “Dispersion of invariant modes of light in complex media” av Pritam Pai, Jeroen Bosch, Matthias Kühmayer, Stefan Rotter og Allard P. Mosk, 8. april 2021, Naturens fotonikk.
DOI: 10.1038 / s41566-021-00789-9