Lichtvoortplanting in ongeordende materialen is een onderwerp van groot belang voor de wetenschappelijke gemeenschap, met toepassingen op het gebied van fotonica en hernieuwbare energiebronnen en de ontdekking van fascinerende nieuwe fenomenen gerelateerd aan golffysica.

Een team van onderzoekers met verschillende expertises op het gebied van optische spectroscopie, fotonica en materiaalwetenschap hebben gerapporteerd over een nieuw fysiek effect dat de coherente aard van spontaan Raman-verstrooid licht aantoont. Het werk, onlangs gepubliceerd in Natuurfotonica met de titel "Coherente terugverstrooiing van Raman Light, " maakt de weg vrij voor de ontwikkeling van een nieuw onderzoeksveld op complexe fotonica-systemen die gebruikmaken van zowel elastisch (Rayleigh) als inelastisch (Raman) verstrooid licht.

"Een dicht bos van ultradunne siliciumdraden die op een ongeordende manier zijn gerangschikt, waarin lichtgolven ontelbare keren heen en weer stuiteren voordat ze naar buiten komen, is het materiaal waarmee we dit nieuwe fenomeen konden onthullen. Wat we hebben waargenomen als een macroscopisch fysiek effect, is de samenhang tussen Raman-verstrooide lichtgolven, die meestal voorkomt op de schaal van nanometers, gegeven door de fonon coherentie lengte, " zegt het artikel van Barbara Fazio (CNR-IPCF, Messina), Matteo Galli (Universiteit van Pavia), Francesco Priolo (Universiteit van Catania en CNR-IMM) en Diederik Wiersma (LENS, Universiteit van Firenze), die de studie leidde.

Het fysieke fenomeen staat bekend als coherente terugverstrooiing van licht, die lang alleen voor elastisch verstrooid licht is waargenomen en bestudeerd en nu ook is aangetoond voor inelastische lichtverstrooiing (Raman). Coherente terugverstrooiing van licht is een zeer subtiel interferentie-effect dat optreedt in ongeordende verstrooiingsmedia (zoals halfgeleiderpoeders of suspensies van microdeeltjes zoals melk of mist), waarin de golfcoherentie behouden blijft, zelfs na een zeer groot aantal willekeurige verstrooiingsgebeurtenissen, uiteindelijk manifesteert zich als een maximum aan interferentie in de exacte terugverstrooiingsrichting. Het team van onderzoekers toonde aan dat dit experimentele bewijs verrassend genoeg ook voor inelastische lichtverstrooiing overleeft, zoals het spontane Raman-proces, zolang de optische informatie van de zich voortplantende golf behouden blijft. In dit soort inelastische verstrooiingsgebeurtenis, licht verliest een klein deel van zijn energie door van golflengte (kleur) te veranderen. De fase coherentie, echter, zeer korte tijd bewaard, waardoor interferentie tussen Raman-verstrooide golven nog steeds mogelijk is.

Het waargenomen maximum van interferentie in de exacte terugverstrooiingsrichting is daarom een ​​kenmerk van de coherente aard van individuele Raman-verstrooiingsprocessen. Daten, bewijs voor de coherentie-eigenschappen van Raman-verstrooiing is alleen gerapporteerd door naar de nanoscopische schaal te kijken, door middel van complexe experimenten in het nabije veld waarbij gebruik wordt gemaakt van zeer scherpe tips of door ultrasnelle tijdoplossende technieken. Deze keer, echter, de onderzoekers vertrouwden niet op complexe experimenten of geavanceerde technieken. De combinatie van de unieke structurele eigenschappen van een op silicium gebaseerd nanomateriaal, een nauwkeurige experimentele procedure en, bovenal, effectief brainstormen en synergie tussen onderzoeksgroepen waren de enige ingrediënten voor de observatie van een nieuw onverwacht fysiek fenomeen, die de weg opent naar nieuwe en belangrijke ontdekkingen.