Perché lo zucchero non è trasparente? Perché la luce che penetra in un pezzo di zucchero si disperde, alterato e deviato in un modo molto complicato. Però, come un gruppo di ricerca della TU Wien (Vienna) e dell'Università di Utrecht (Paesi Bassi) è stato ora in grado di dimostrare, esiste una classe di onde luminose molto speciali per le quali questo non si applica:per qualsiasi mezzo specifico disordinato, come la zolletta di zucchero che potresti aver appena messo nel tuo caffè, si possono costruire fasci di luce su misura che praticamente non vengono modificati da questo mezzo, ma solo attenuato. Il raggio di luce penetra nel mezzo, e dall'altra parte arriva un motivo leggero che ha la stessa forma come se il mezzo non ci fosse affatto.

Questa idea di "modi di luce invarianti alla diffusione" può essere utilizzata anche per esaminare specificamente l'interno degli oggetti. I risultati sono stati ora pubblicati sulla rivista Fotonica della natura .

Un numero astronomico di possibili forme d'onda

Le onde su una superficie d'acqua turbolenta possono assumere un numero infinito di forme diverse e, in modo simile, le onde luminose possono anche essere realizzate in innumerevoli forme diverse. "Ognuno di questi modelli di onde luminose viene modificato e deviato in un modo molto specifico quando lo si invia attraverso un mezzo disordinato, " spiega il Prof. Stefan Rotter dell'Istituto di Fisica Teorica della TU Wien.

Insieme alla sua squadra, Stefan Rotter sta sviluppando metodi matematici per descrivere tali effetti di diffusione della luce. L'esperienza per produrre e caratterizzare campi di luce così complessi è stata fornita dal team del Prof. Allard Mosk dell'Università di Utrecht. "Come mezzo di diffusione della luce, abbiamo usato uno strato di ossido di zinco, un opaco, polvere bianca di nanoparticelle disposte in modo completamente casuale, " spiega Allard Mosk, il capo del gruppo di ricerca sperimentale.

Primo, devi caratterizzare questo strato con precisione. Fai brillare segnali luminosi molto specifici attraverso la polvere di ossido di zinco e misura come arrivano al rivelatore dietro di essa. Da questa, puoi quindi concludere come qualsiasi altra onda viene modificata da questo mezzo, in particolare, è possibile calcolare in modo specifico quale schema d'onda viene modificato da questo strato di ossido di zinco esattamente come se la dispersione delle onde fosse completamente assente in questo strato.

"Come abbiamo potuto dimostrare, esiste una classe molto speciale di onde luminose, i cosiddetti modi di luce invarianti alla diffusione, che producono esattamente lo stesso modello d'onda al rivelatore, indipendentemente dal fatto che l'onda luminosa sia stata inviata solo attraverso l'aria o se dovesse penetrare nel complicato strato di ossido di zinco, " dice Stefan Rotter. "Nell'esperimento, vediamo che l'ossido di zinco in realtà non cambia affatto la forma di queste onde luminose - diventano solo un po' più deboli nel complesso, " spiega Allard Mosk.

Una costellazione stellare al rilevatore di luce

Per quanto speciali e rari possano essere questi modi di luce invarianti alla diffusione, con il numero teoricamente illimitato di possibili onde luminose, se ne possono ancora trovare molti. E se combini diverse di queste modalità di luce invarianti di dispersione nel modo giusto, si ottiene di nuovo una forma d'onda invariante alla dispersione.

"In questo modo, almeno entro certi limiti, sei abbastanza libero di scegliere quale immagine vuoi inviare attraverso l'oggetto senza interferenze, "dice Jeroen Bosch, che ha lavorato all'esperimento come Ph.D. alunno. "Per l'esperimento abbiamo scelto una costellazione come esempio:l'Orsa Maggiore. E infatti, è stato possibile determinare un'onda invariante alla diffusione che invia un'immagine del Grande Carro al rivelatore, indipendentemente dal fatto che l'onda luminosa sia diffusa o meno dallo strato di ossido di zinco. Al rivelatore, il raggio di luce sembra quasi lo stesso in entrambi i casi."

Uno sguardo dentro la cella

Questo metodo per trovare modelli di luce che penetrano in un oggetto in gran parte indisturbato potrebbe essere utilizzato anche per le procedure di imaging. "Negli ospedali, I raggi X vengono utilizzati per guardare all'interno del corpo:hanno una lunghezza d'onda più corta e possono quindi penetrare nella nostra pelle. Ma il modo in cui un'onda luminosa penetra in un oggetto dipende non solo dalla lunghezza d'onda, ma anche sulla forma d'onda, "dice Matthias Kühmayer, chi lavora come dottore di ricerca studente di simulazioni al computer della propagazione delle onde. "Se vuoi focalizzare la luce all'interno di un oggetto in determinati punti, allora il nostro metodo apre possibilità completamente nuove. Siamo stati in grado di dimostrare che utilizzando il nostro approccio, anche la distribuzione della luce all'interno dello strato di ossido di zinco può essere controllata in modo specifico." Questo potrebbe essere interessante per esperimenti biologici, Per esempio, dove vuoi introdurre la luce in punti molto specifici per guardare in profondità all'interno delle cellule.

Ciò che la pubblicazione congiunta degli scienziati dei Paesi Bassi e dell'Austria mostra già è quanto sia importante la cooperazione internazionale tra teoria ed esperimento per ottenere progressi in questo settore di ricerca.