Golven verspreiden zich niet altijd gelijkmatig in alle richtingen, maar kan een opmerkelijke "vertakte stroom" vormen. Aan de TU Wien (Wenen) is inmiddels een methode ontwikkeld om dit fenomeen te beheersen.

In de vrije ruimte, de lichtgolf van een laserstraal plant zich voort op een perfect rechte lijn. Onder bepaalde omstandigheden, echter, het gedrag van een golf kan veel gecompliceerder zijn. In aanwezigheid van een gestoorde, onregelmatige omgeving doet zich een heel vreemd fenomeen voor:een inkomende golf splitst zich in verschillende paden, het vertakt zich op een ingewikkelde manier, sommige plaatsen bereiken met een hoge intensiteit, terwijl anderen bijna volledig worden vermeden.

Dit soort "vertakte stroming" is voor het eerst waargenomen in 2001. Wetenschappers van de TU Wien (Wenen) hebben nu een methode ontwikkeld om dit effect te benutten. Het kernidee van deze nieuwe aanpak is om een ​​golfsignaal uitsluitend langs één enkele vooraf geselecteerde tak te sturen, zodat de golf nergens anders merkbaar is. De resultaten zijn nu gepubliceerd in het tijdschrift PNAS .

Van kwantumdeeltjes tot tsunami's

"Oorspronkelijk, dit effect werd ontdekt bij het bestuderen van elektronen die als kwantumgolven door kleine microstructuren bewegen, " zegt prof. Stefan Rotter van het Instituut voor Theoretische Fysica aan de TU Wien. "Dergelijke structuren, echter, zijn nooit perfect en ze komen altijd met bepaalde onvolkomenheden; en verrassend, deze onvolkomenheden zorgen ervoor dat de elektronengolf zich opsplitst in takken - een effect dat vertakte stroom wordt genoemd."

Al snel bleek dat dit golfverschijnsel niet alleen in de kwantumfysica voorkomt. In principe kan het voorkomen bij alle soorten golven en op totaal verschillende lengteschalen. Indien, bijvoorbeeld, laserstralen worden in het oppervlak van een zeepbel gestuurd, ze splitsen zich in verschillende deelbalken, net als tsunami-golven in de oceaan:deze laatste verspreiden zich niet regelmatig over de oceaan, maar in plaats daarvan reizen ze in een ingewikkelde, vertakt patroon dat afhangt van de willekeurige vorm van de gegolfde oceaanbodem. Als resultaat, het kan gebeuren dat een ver eiland heel hard wordt getroffen door een tsunami, terwijl het naburige eiland alleen wordt bereikt door veel zwakkere golffronten.

"We wilden weten of deze golven zo kunnen worden gemanipuleerd dat ze slechts langs één geselecteerde tak reizen, in plaats van zich voort te planten langs een heel vertakt netwerk van paden in totaal verschillende richtingen, " zegt Andre Brandstötter (TU Wien), eerste auteur van de publicatie. "En wat blijkt, het is inderdaad mogelijk om op een gecontroleerde manier individuele vestigingen te targeten."

Analyseren en aanpassen

De nieuwe procedure bestaat uit slechts twee stappen:ten eerste, de golf mag zich zoals gebruikelijk op alle mogelijke paden vertakken. Op een van de locaties die met hoge intensiteit worden bereikt, de golf wordt in detail gemeten. De aan de TU Wien ontwikkelde methode kan vervolgens worden gebruikt om te berekenen hoe de golf bij de oorsprong moet worden gevormd, zodat het in de tweede stap langs een geselecteerd pad kan worden verzonden, terwijl je alle andere paden vermijdt.

"We hebben numerieke simulaties gebruikt om te laten zien hoe we een golf kunnen vinden die zich precies zo gedraagt ​​als we willen. Deze aanpak kan met verschillende methoden worden toegepast, " zegt Stefan Rotter. "Je kunt het uitvoeren met lichtgolven die worden aangepast met speciale spiegelsystemen of met geluidsgolven die je genereert met een systeem van gekoppelde luidsprekers. Ook sonargolven in de oceaan zouden een mogelijk toepassingsgebied kunnen zijn. In elk geval, de benodigde technologieën zijn al beschikbaar."

Met deze nieuwe methode al deze verschillende soorten golven zouden kunnen worden uitgezonden langs een enkel traject dat vooraf is geselecteerd uit een complex netwerk van paden. "Dit traject hoeft niet eens recht te zijn, " legt Andre Brandstötter uit. "Veel van de mogelijke paden zijn gekromd - de onregelmatigheden van de omgeving werken als een reeks lenzen waarmee de golf wordt gefocust en keer op keer wordt afgebogen."

Zelfs gepulseerde signalen kunnen langs deze speciale paden worden verzonden, zodat informatie gericht kan worden doorgegeven. Dit garandeert dat een golfsignaal precies daar aankomt waar het moet worden ontvangen; op andere locaties is het nauwelijks waarneembaar, wat afluisteren veel moeilijker maakt.