Waarom is suiker niet transparant? Omdat licht dat een stuk suiker binnendringt, wordt verstrooid, op een zeer gecompliceerde manier veranderd en afgebogen. Echter, zoals een onderzoeksteam van de TU Wien (Wenen) en de Universiteit Utrecht (Nederland) nu heeft kunnen aantonen, er is een klasse van zeer speciale lichtgolven waarvoor dit niet geldt:voor elk specifiek ongeordend medium - zoals het suikerklontje dat je misschien net in je koffie hebt gedaan - kunnen op maat gemaakte lichtbundels worden geconstrueerd die praktisch niet veranderen door dit middel, maar alleen verzwakt. De lichtstraal dringt door het medium, en aan de andere kant komt een lichtpatroon dat dezelfde vorm heeft alsof het medium er helemaal niet is.

Dit idee van "verstrooiingsinvariante lichtmodi" kan ook worden gebruikt om specifiek het interieur van objecten te onderzoeken. De resultaten zijn nu gepubliceerd in het tijdschrift Natuurfotonica .

Een astronomisch aantal mogelijke golfvormen

De golven op een turbulent wateroppervlak kunnen een oneindig aantal verschillende vormen aannemen - en op een vergelijkbare manier, lichtgolven kunnen ook in talloze verschillende vormen worden gemaakt. "Elk van deze lichtgolfpatronen wordt op een heel specifieke manier veranderd en afgebogen wanneer je het door een ongeordend medium stuurt, " legt prof. Stefan Rotter van het Instituut voor Theoretische Fysica van de TU Wien uit.

Samen met zijn team, Stefan Rotter ontwikkelt wiskundige methoden om dergelijke lichtverstrooiingseffecten te beschrijven. De expertise om dergelijke complexe lichtvelden te produceren en te karakteriseren is ingebracht door het team rond Prof. Allard Mosk van de Universiteit Utrecht. "Als lichtverstrooiend medium, we gebruikten een laag zinkoxide - een ondoorzichtige, wit poeder van volledig willekeurig gerangschikte nanodeeltjes, " legt Allard Mosk uit, het hoofd van de experimentele onderzoeksgroep.

Eerst, je moet deze laag precies karakteriseren. Je laat heel specifieke lichtsignalen door het zinkoxidepoeder schijnen en meet hoe ze bij de detector erachter komen. Van dit, je kunt dan concluderen hoe een andere golf door dit medium wordt veranderd - in het bijzonder, je kunt precies berekenen welk golfpatroon door deze zinkoxidelaag wordt veranderd, precies alsof golfverstrooiing in deze laag helemaal afwezig is.

“Zoals we konden laten zien, er is een heel speciale klasse van lichtgolven - de zogenaamde verstrooiingsinvariante lichtmodi, die precies hetzelfde golfpatroon produceren bij de detector, ongeacht of de lichtgolf alleen door de lucht werd gestuurd of dat hij door de gecompliceerde zinkoxidelaag moest dringen, ", zegt Stefan Rotter. "In het experiment, we zien dat het zinkoxide de vorm van deze lichtgolven eigenlijk helemaal niet verandert - ze worden over het algemeen gewoon een beetje zwakker, ", legt Allard Mosk uit.

Een stellaire constellatie bij de lichtdetector

Hoe bijzonder en zeldzaam deze verstrooiingsinvariante lichtmodi ook mogen zijn, met het theoretisch onbeperkte aantal mogelijke lichtgolven, men kan er nog veel vinden. En als je meerdere van deze verstrooiingsinvariante lichtmodi op de juiste manier combineert, je krijgt weer een verstrooiingsinvariante golfvorm.

"Op deze manier, tenminste binnen bepaalde grenzen, je bent vrij om te kiezen welk beeld je zonder interferentie door het object wilt sturen, " zegt Jeroen Bosch, die aan het experiment werkte als een Ph.D. student. "Voor het experiment kozen we een sterrenbeeld als voorbeeld:De Grote Beer. En inderdaad, het was mogelijk om een ​​verstrooiingsinvariante golf te bepalen die een beeld van de Grote Beer naar de detector stuurt, ongeacht of de lichtgolf wordt verstrooid door de zinkoxidelaag of niet. Naar de melder, de lichtstraal ziet er in beide gevallen bijna hetzelfde uit."

Een kijkje in de cel

Deze methode om lichtpatronen te vinden die grotendeels ongestoord een object binnendringen, zou ook kunnen worden gebruikt voor beeldvormingsprocedures. "In ziekenhuizen Röntgenstralen worden gebruikt om in het lichaam te kijken - ze hebben een kortere golflengte en kunnen daarom onze huid binnendringen. Maar de manier waarop een lichtgolf een object binnendringt, hangt niet alleen af ​​van de golflengte, maar ook op de golfvorm, " zegt Matthias Kühmayer, die werkt als een Ph.D. student computersimulaties van golfvoortplanting. "Als je het licht in een object op bepaalde punten wilt focussen, dan opent onze werkwijze geheel nieuwe mogelijkheden. We hebben kunnen laten zien dat met onze aanpak ook de lichtverdeling in de zinkoxidelaag gericht gestuurd kan worden.” Dit kan interessant zijn voor biologische experimenten, bijvoorbeeld, waar je op heel specifieke punten licht wilt introduceren om diep in cellen te kijken.

Wat de gezamenlijke publicatie van de wetenschappers uit Nederland en Oostenrijk al laat zien, is hoe belangrijk internationale samenwerking tussen theorie en experiment is om vooruitgang te boeken op dit onderzoeksgebied.