Een team onder leiding van onderzoekers van de Universiteit van de Witwatersrand in Johannesburg, Zuid-Afrika, met medewerkers van de Universiteit van Pretoria (Zuid-Afrika), evenals van Mexico en Schotland, heeft een nieuwe ontdekking gedaan over hoe licht zich gedraagt ​​in complexe media, media dat de neiging heeft om het licht aanzienlijk te vervormen. Ze toonden aan dat "vervorming" een kwestie van perspectief is, en schetsten een eenvoudige regel die van toepassing is op al het licht en een breed scala aan media, inclusief onderwater, optische vezels, transmissie in de atmosfeer en zelfs door levende biologische monsters.

Hun nieuwe kwantumbenadering van het probleem lost een permanent debat op over de vraag of sommige vormen van licht robuust zijn of niet, en corrigeert enkele misvattingen in de gemeenschap. Belangrijk is dat het werk schetst dat al het licht een eigenschap heeft die onveranderd blijft, een inzicht dat de sleutel vormt tot het ontrafelen van de rest van de waargenomen vervorming. Om de bevinding te valideren, toonde het team robuust transport door anders sterk vervormende systemen, waarbij het resultaat werd gebruikt voor foutloze communicatie via luidruchtige kanalen.

Natuurfotonica heeft vandaag online het onderzoek gepubliceerd van het team onder leiding van professor Andrew Forbes van de School of Physics van Wits University. In hun paper legt het team de eenvoudige regels uit die gelden voor complexe lichtvoortplanting in complexe media. Ten eerste vinden ze dat al dergelijke media op dezelfde manier kunnen worden behandeld en dat de analyse niet afhankelijk is van het type licht dat wordt gebruikt. Voorheen werd elke keuze van media en lichtstraal als een speciaal geval behandeld, niet langer - de nieuwe algemene theorie dekt het allemaal. Ten tweede laten ze zien dat er ondanks de vervorming een eigenschap van het licht is - zijn 'vectorheid' - die onveranderd blijft, onveranderlijk voor de media. Dit is altijd waar en was nog niet eerder opgemerkt. Het is de sleutel tot het benutten van licht, zelfs onder niet-ideale omstandigheden.

Als je licht door een onvolmaakt medium, zoals de atmosfeer, laat gaan, wordt het vervormd. Het glinsterende luchtspiegelingeffect bij hete wegen of het fonkelen van sterren zijn bijvoorbeeld beide voorbeelden van licht dat vervormd raakt door de turbulentie in de atmosfeer. Licht kan soms ook opzettelijk worden vervormd, zoals de spiegels op een kermis waardoor je langer, dunner of ronder lijkt. In dit geval begrijpen we allemaal dat de vervorming slechts een kwestie van perspectief is - een snelle blik op onszelf zonder de spiegel onthult de realiteit - maar geldt dit ook voor andere vervormingssystemen? Is er een manier om naar het licht te kijken zodat de vervorming verdwijnt? Het door Wits geleide team laat zien dat ja, sommige eigenschappen worden nooit vervormd, terwijl andere kunnen worden ontrafeld door een verandering van perspectief.

De vraag is hoe te begrijpen wat er met het licht gebeurt, hoe het wordt vervormd en hoe het nieuwe perspectief te vinden? Om deze vragen te beantwoorden gebruikte het team de meest algemene vorm van licht, vectorieel licht. Licht heeft een elektrisch veld waarvan de richting over het veld kan variëren, soms naar boven, naar beneden, naar links, naar rechts, enzovoort. De "vectorheid" van een licht is hoe verward de richting van het elektrische veld van een licht is. Met andere woorden, het is een maat voor hoe vergelijkbaar de richtingen van de elektrische velden van een licht zijn op verschillende plaatsen:als het overal hetzelfde is (homogeen) is de waarde 0, en als het overal anders is (inhomogeen) is de waarde is 1. Deze vectoriële homogeniteit verandert nooit, zelfs niet als het patroon van het elektrische veld zelf verandert. De reden is ingebed in kwantumverstrengelde toestanden, een onderwerp dat weinig gemeen lijkt te hebben met optische vervormingen. De nieuwe ontdekking werd mogelijk gemaakt door tools uit de kwantumwereld toe te passen op de wereld van optische vervormingen.

"Wat we hebben gevonden, is dat vectorheid het enige kenmerk van licht is dat niet verandert wanneer het door complexe media gaat", zegt professor Andrew Forbes van de Wits School of Physics. "Dit betekent dat we iets speciaals hebben dat kan worden uitgebuit bij het gebruik van licht voor communicatie of detectie."

"Dit is een specifiek aspect van het patroon van het licht - hoe het polarisatiepatroon eruitziet", zegt Forbes. "De 'polarisatie' is gewoon een mooie manier om de richting te beschrijven van het elektrische veld waaruit licht bestaat. Het patroon is ook vervormd, maar de intrinsieke aard (van homogeen of inhomogeen) is dat niet."

De aanpak van het team stelt onderzoekers in staat om te bepalen hoe eventuele vervormingen via de media kunnen worden gecorrigeerd op een manier die geen licht kost. Met andere woorden, er is geen verlies.

"We laten zien dat hoewel het licht erg vervormd is, de vervorming slechts een kwestie van perspectief is. Je kunt het licht zo bekijken dat het zijn oorspronkelijke 'onvervormde' eigenschappen terugkrijgt. Het is opmerkelijk dat complex licht in complexe media kan universeel begrepen worden vanuit zeer eenvoudige regels."

Door bijvoorbeeld alleen de manier waarop een meting wordt uitgevoerd te veranderen, kan elke communicatie via een zeer vervormd medium "vervormingsvrij" worden gemaakt. Het team toonde aan dat dit experimenteel waar was via een reeks systemen, van turbulentie tot vloeibare of optische vezels. + Verder verkennen

De perfecte valstrik:een nieuwe manier om de polarisatie van licht te beheersen