يمر شعاع الضوء عبر وسط مضطرب ويعرض على الكاشف نفس الصورة التي يمكن اكتشافها بدون الوسيط. الائتمان: ألارد موسك / ماتياس كوهماير
ينشئ الباحثون في جامعة أوتريخت و TU Wien (فيينا) موجات ضوئية خاصة يمكنها اختراق حتى المواد غير الشفافة كما لو أن المادة ليست موجودة.
لماذا السكر غير شفاف؟ لأن الضوء الذي يدخل إلى قطعة من السكر مبعثر ، ويتغير وينحرف بطريقة معقدة للغاية. ومع ذلك ، نظرًا لأن فريق بحثي من TU Wien (فيينا) وجامعة Utrecht (هولندا) تمكنوا الآن من إظهار وجود فئة خاصة جدًا من موجات الضوء التي لا ينطبق عليها هذا. متوسطة – مثل قطعة السكر التي وضعتها للتو في قهوتك – يمكن بناء أشعة ضوئية مخصصة بالكاد تتأثر بهذه الوسيلة ، ولكنها خافتة فقط. يدخل شعاع الضوء إلى الوسط ، ويصل نمط ضوئي على الجانب الآخر له نفس الشكل كما لو لم يكن الوسط موجودًا على الإطلاق.
يمكن أيضًا استخدام فكرة “تشتت أوضاع الضوء الثابتة” لفحص الأجزاء الداخلية للكائنات على وجه التحديد. تم نشر النتائج الآن في المجلة ضوئيات الطبيعة.
للمقارنة: شعاع الضوء بدون انتشار. الائتمان: ألارد موسك / ماتياس كوهماير
عدد فلكي من أشكال الموجات الممكنة
يمكن أن تتخذ الأمواج على سطح مائي مضطرب عددًا لا نهائيًا من الأشكال المختلفة – وبنفس الطريقة ، يمكن أيضًا إنتاج موجات الضوء بأشكال مختلفة لا حصر لها. يقول البروفيسور ستيفان روتر من معهد الفيزياء النظرية بجامعة TU Wien: “يتم تغيير كل نمط من أنماط الموجات الضوئية وانحرافها بطريقة محددة جدًا عندما ترسلها عبر بيئة فوضوية”.
بالتعاون مع فريقه ، يطور ستيفان روتر طرقًا رياضية لوصف تأثيرات تشتت الضوء. تم توفير الخبرة اللازمة لإنتاج وتمييز مجالات الإضاءة المعقدة هذه من قبل الفريق المحيط بالبروفيسور ألارد موسك من جامعة أوتريخت. يوضح ألارد موسك ، رئيس مجموعة البحث التجريبية: “كوسيلة تشتت للضوء ، استخدمنا طبقة من أكسيد الزنك – مسحوق أبيض غير شفاف من الجسيمات النانوية مرتبة بشكل عشوائي تمامًا”.
بادئ ذي بدء ، تحتاج إلى تحديد خصائص هذه الطبقة بدقة. أنت تسلط إشارات ضوئية محددة للغاية من خلال مسحوق أكسيد الزنك وتقيس كيفية وصولها إلى الكاشف الموجود خلفه. من هناك ، يمكنك بعد ذلك استنتاج كيفية تعديل موجة أخرى بواسطة هذا الوسيط – على وجه الخصوص ، يمكنك تحديد نمط الموجة الذي تم تعديله بواسطة طبقة أكسيد الزنك هذه تمامًا كما لو كان تشتت الموجات غائبًا تمامًا في هذه الطبقة.
“كما تمكنا من إظهار ، هناك فئة خاصة جدًا من موجات الضوء – ما يسمى بأوضاع الضوء الثابت المتشتت ، والتي تنتج نفس نمط الموجة بالضبط في الكاشف ، بغض النظر عما إذا كانت الموجة الضوئية قد تم إرسالها أم لا في الهواء. أو إذا كان يجب أن يخترق طبقة أكسيد الزنك المعقدة ، “يشرح ستيفان روتر. يقول ألارد موسك: “في التجربة ، نرى أن أكسيد الزنك لا يغير شكل موجات الضوء هذه على الإطلاق – إنها تصبح أضعف قليلاً بشكل عام”.
كوكبة نجمية مع كاشف الضوء
وبقدر ما تكون أوضاع الضوء غير المتغيرة هذه مميزة ونادرة ، مع وجود عدد غير محدود من الموجات الضوئية الممكنة نظريًا ، فلا يزال بإمكاننا العثور على العديد منها. وإذا قمت بدمج العديد من أوضاع الضوء غير المتغيرة هذه بالطريقة الصحيحة ، فستحصل مرة أخرى على شكل موجة غير متغيرة.
يقول جيروين بوش ، الذي عمل في التجربة كطالب دكتوراه: “بهذه الطريقة ، على الأقل ضمن حدود معينة ، أنت حر تمامًا في اختيار الصورة التي تريد إرسالها عبر الكائن دون تدخل”. طالب علم. “بالنسبة للتجربة ، اخترنا كوكبة كمثال: Big Dipper. وبالفعل ، كان من الممكن تحديد موجة تشتت ثابتة ترسل صورة من Big Dipper إلى الكاشف ، سواء كانت موجة الضوء مبعثرة بواسطة طبقة أكسيد الزنك أم لا. بالنسبة للكاشف ، يكون شعاع الضوء متماثلًا تقريبًا في كلتا الحالتين. “
نظرة داخل الزنزانة
يمكن أيضًا استخدام هذه الطريقة في العثور على أنماط الضوء التي تخترق جسمًا غير مضطرب إلى حد كبير في إجراءات التصوير. “في المستشفيات ، تُستخدم الأشعة السينية للنظر داخل الجسم – فهي ذات طول موجي أقصر وبالتالي يمكنها اختراق جلدنا. لكن الطريقة التي تدخل بها الموجة الضوئية إلى الجسم لا تعتمد فقط على الطول الموجي ، ولكن أيضًا على شكل الموجة “، يشرح ماتياس كوهماير ، الذي يعمل كطالب دكتوراه. طالب في محاكاة الكمبيوتر لانتشار الموجة. “إذا كنت ترغب في تركيز الضوء داخل جسم ما في أماكن معينة ، فإن طريقتنا تفتح إمكانيات جديدة تمامًا. تمكنا من إظهار أنه باستخدام نهجنا ، يمكن أيضًا التحكم في توزيع الضوء داخل طبقة أكسيد الزنك على وجه التحديد. قد يكون هذا مثيرًا للاهتمام للتجارب البيولوجية ، على سبيل المثال ، حيث تريد إدخال الضوء في نقاط محددة للغاية من أجل النظر بعمق في الخلايا.
ما يُظهره المنشور المشترك لعلماء من هولندا والنمسا بالفعل هو مدى أهمية التعاون الدولي بين النظرية والتجربة لتحقيق تقدم في هذا المجال من البحث.
المرجع: “تشتت الأنماط الثابتة للضوء في الوسائط المعقدة” بقلم بريتام باي وجيروين بوش وماتياس كوهماير وستيفان روتر وألارد بي موسك ، 8 أبريل 2021 ، ضوئيات الطبيعة.
DOI: 10.1038 / s41566-021-00789-9
