Ruimte, de laatste grens. Het ruimteschip Enterprise zet zijn missie voort om de melkweg te verkennen, wanneer alle communicatiekanalen plotseling worden afgesneden door een ondoordringbare nevel. In veel afleveringen van de iconische tv-serie moet de dappere crew binnen slechts 45 minuten zendtijd "tech the tech" en "science the science" om te ontsnappen uit deze of een soortgelijke hachelijke situatie voordat de aftiteling begint. Ondanks een aanzienlijk langere tijd in hun laboratoria, is een team van wetenschappers van de Universiteit van Rostock erin geslaagd een geheel nieuwe benadering te ontwikkelen voor het ontwerp van kunstmatige materialen die lichtsignalen zonder enige vervorming kunnen overbrengen door middel van nauwkeurig afgestemde energiestromen. Ze hebben hun resultaten gepubliceerd in Science Advances .

"Wanneer licht zich verspreidt in een inhomogeen medium, ondergaat het verstrooiing. Dit effect transformeert een compacte, gerichte straal snel in een diffuse gloed, en is ons allemaal bekend van zomerwolken en herfstmist", professor Alexander Szameit van het Instituut voor Natuurkunde aan de Universiteit van Rostock beschrijft het uitgangspunt van de overwegingen van zijn team. Het is met name de microscopische dichtheidsverdeling van een materiaal die de bijzonderheden van verstrooiing dicteert. Szameit vervolgt:"Het fundamentele idee van geïnduceerde transparantie is om te profiteren van een veel minder bekende optische eigenschap om zogezegd een pad vrij te maken voor de straal."

Deze tweede eigenschap, op het gebied van fotonica bekend onder de mysterieuze titel van niet-hermiticiteit, beschrijft de stroom van energie, of beter gezegd, de versterking en verzwakking van licht. Intuïtief kunnen de bijbehorende effecten ongewenst lijken - met name het vervagen van een lichtstraal als gevolg van absorptie zou zeer contraproductief lijken voor de taak om de signaaloverdracht te verbeteren. Desalniettemin zijn niet-Hermitiaanse effecten een belangrijk aspect geworden van de moderne optica, en een heel onderzoeksgebied streeft ernaar om het geavanceerde samenspel van verliezen en versterking te benutten voor geavanceerde functionaliteiten.

"Deze aanpak opent geheel nieuwe mogelijkheden", meldt promovendus Andrea Steinfurth, eerste auteur van het artikel. Met betrekking tot een lichtstraal wordt het mogelijk om specifieke delen van een lichtbundel op microscopisch niveau selectief te versterken of te dempen om elk begin van degradatie tegen te gaan. Om in het beeld van de nevel te blijven, zouden de lichtverstrooiende eigenschappen ervan volledig onderdrukt kunnen worden. "We zijn actief bezig met het aanpassen van een materiaal om het op maat te maken voor de best mogelijke transmissie van een specifiek lichtsignaal", legt Steinfurth uit. "Hiervoor moet de energiestroom nauwkeurig worden geregeld, zodat deze als puzzelstukjes in elkaar past met het materiaal en het signaal." In nauwe samenwerking met partners van de Technische Universiteit Wenen zijn de onderzoekers in Rostock deze uitdaging met succes aangegaan. In hun experimenten waren ze in staat om de microscopische interacties van lichtsignalen met hun nieuw ontwikkelde actieve materialen na te bootsen en te observeren in netwerken van kilometerslange optische vezels.

In feite is geïnduceerde transparantie slechts een van de fascinerende mogelijkheden die uit deze bevindingen voortvloeien. Als een object echt moet verdwijnen, is het voorkomen van verstrooiing niet voldoende. In plaats daarvan moeten lichtgolven volledig ongestoord erachter komen. Maar zelfs in het vacuüm van de ruimte zorgt alleen diffractie ervoor dat elk signaal onvermijdelijk van vorm verandert. "Ons onderzoek biedt het recept om een ​​materiaal zo te structureren dat lichtstralen passeren alsof noch het materiaal, noch het gebied van de ruimte dat het inneemt, bestaat. Zelfs de fictieve verhulapparaten van de Romulans kunnen dat niet", zegt co-auteur Dr. Matthias Heinrich, cirkelend terug naar de laatste grens van Star Trek.

De bevindingen die in dit werk worden gepresenteerd, vertegenwoordigen een doorbraak in fundamenteel onderzoek naar niet-Hermitische fotonica en bieden nieuwe benaderingen voor de actieve fijnafstemming van gevoelige optische systemen, bijvoorbeeld sensoren voor medisch gebruik. Andere mogelijke toepassingen zijn optische codering en veilige gegevensoverdracht, evenals de synthese van veelzijdige kunstmatige materialen met op maat gemaakte eigenschappen. + Verder verkennen

Herconfigureerbare silicium nanoantennes bestuurd door vectorieel lichtveld