Специални светлинни вълни, които могат да проникнат дори в непрозрачни материали, сякаш материалът дори не е бил там. Те са създадени от изследователи от университета в Утрехт и от Техническия университет във Виена (TU Wien).

Защо захарта не е прозрачна? Защото светлината, която прониква в бучка захар, се разсейва, променя и отклонява по много сложен начин.

Както обаче изследователският екип успя да покаже, има клас от много специални светлинни вълни, за които това не се отнася: за всяка специфична неподредена среда - като например бучка захар - могат да се конструират специални светлинни лъчи, които на практика не се променят от тази среда, а само отслабват. Светлинният лъч прониква през средата и от другата страна пристига светлинен модел (патерн), който има същата форма, сякаш средата изобщо не е там.

Тази идея за „инвариантни режими на разсейване на светлина“ може да се използва и за конкретно изследване на вътрешността на обектите. Резултатите вече са публикувани в списание Nature Photonics.

Астрономически брой на възможните форми на вълни

Вълните на турбулентна водна повърхност могат да приемат безкраен брой различни форми - и по подобен начин светлинните вълни също могат да бъдат в безброй различни форми.

„Всеки от тези модели на светлинни вълни се променя и отклонява по много специфичен начин, когато го изпращате през неподредена среда“, обяснява проф. Стефан Ротер (Stefan Rotter) от Института по теоретична физика в TU Wien.

Заедно със своя екип Стефан Ротер разработва математически методи за описване на такива ефекти на разсейване на светлината. Принос към опита за създаване и характеризиране на такива сложни светлинни полета има и екипът на проф. Алард Моск (Allard Mosk) от Университета в Утрехт.

„Като разсейваща светлината среда използвахме слой цинков оксид - непрозрачен, бял прах от напълно произволно подредени наночастици“, обяснява Алард Моск, ръководител на експерименталната изследователска група.

Първо, трябва точно да се характеризира този слой. Излъчват се много специфични светлинни сигнали през цинковия оксид и се измерва как стигат до детектора зад него. От това може да се направи извод как тази среда променя коя да е вълна - по-специално, може да се изчисли как определен модел на вълната ще се измени от този слой цинков оксид така, сякаш вълновото разсейване изцяло липсва в този слой.

„Както успяхме да покажем, има много специален клас светлинни вълни - т. нар. инвариантни (неизменнни) за разсейване светлинни режими, които произвеждат абсолютно еднакъв модел на вълната върху детектора, независимо дали светлинната вълна е била изпратена само през въздуха или е трябвало да проникне през сложния слой цинков оксид“, разказва Стефан Ротер.

„В експеримента се вижда, че цинковият оксид всъщност изобщо не променя формата на тези светлинни вълни - те просто стават само малко по-слаби“, обяснява Алард Моск.

Звездно съзвездие на светлинния детектор

Колкото и специални и редки да са тези разсейващо-инвариантни светлинни режими, с теоретично неограничения брой възможни светлинни вълни, все пак може да се намерят много от тях. И ако се комбинират няколко от тези инвариантни за разсейване на светлинни режими по правилния начин, отново се получава разсейващо-инвариантна форма на вълната.

„По този начин, поне в определени граници, сте напълно свободни да избирате кое изображение искате да изпратите през обекта без разсейване“, коментира Йерун Бош (Jeroen Bosch), член на екипа. „За експеримента избрахме за пример съзвездието Голямата мечка. И наистина бе възможно да се определи разсейващо-инвариантна вълна, която изпраща изображение на Голямата мечка към детектора, независимо дали светлинната вълна се разсейва от слоя цинков оксид или не. За детектора светлинният лъч изглежда почти еднакво и в двата случая".

Поглед вътре в клетките

Този метод за намиране на светлинни патерни, които проникват в обект до голяма степен незасегнати, може да се използва за сканиране и изобразяване.

„В болниците рентгеновите лъчи се използват за преглед - те имат по-къса дължина на вълната и следователно могат да проникнат в кожата ни. Но начинът, по който светлинната вълна прониква в даден обект, зависи не само от дължината на вълната, но и от формата на вълната“, отбелязва Матиас Кюмайер (Matthias Kühmayer), който работи по компютърни симулации на разпространение на вълните. „Ако искате да фокусирате светлината вътре в даден обект в определени точки, тогава нашият метод отваря напълно нови възможности. Успяхме да покажем, че с помощта на нашия подход разпределението на светлината вътре в слоя цинков оксид може също да бъде контролирано специално".

Това може да е интересно например и за биологични експерименти, когато искате да осветите много специфични точки, за да погледнете дълбоко в клетките.

Справка: “Scattering invariant modes of light in complex media” by Pritam Pai, Jeroen Bosch, Matthias Kühmayer, Stefan Rotter and Allard P. Mosk, 8 April 2021, Nature Photonics. DOI: 10.1038/s41566-021-00789-9

Източник: Indestructible Light Beam: Special Light Waves Created That Can Penetrate Even Opaque Materials, Scitech daily