تم إنشاء موجات ضوئية خاصة يمكنها اختراق المواد غير الشفافة

يمر شعاع الضوء عبر وسط مضطرب ويعرض نفس الصورة على الكاشف الذي سيتم اكتشافه بدون الوسيط. الائتمان: ألارد موسك / ماتياس كوهماير

ينشئ الباحثون في جامعة أوتريخت وفي TU Wien (فيينا) موجات ضوئية خاصة يمكنها اختراق حتى المواد غير الشفافة كما لو أن المادة لم تكن موجودة.

لماذا السكر غير شفاف؟ لأن الضوء الذي يخترق قطعة من السكر يتناثر ويتغير وينحرف بطريقة معقدة للغاية. ومع ذلك ، نظرًا لأن فريقًا بحثيًا من TU Wien (فيينا) وجامعة Utrecht (هولندا) تمكن الآن من إظهار ، هناك فئة من موجات الضوء الخاصة جدًا التي لا ينطبق عليها هذا: لأي وسط مضطرب معين – مثل مكعب السكر الذي ربما وضعته للتو في قهوتك – يمكن إنشاء أشعة ضوئية مصممة خصيصًا والتي لا تتغير عمليًا بواسطة هذا الوسيط ، ولكن يتم تخفيفها فقط. يخترق شعاع الضوء الوسط ، ويصل نمط ضوئي على الجانب الآخر له نفس الشكل كما لو لم يكن الوسط موجودًا على الإطلاق.

يمكن أيضًا استخدام فكرة “أنماط تشتت الضوء الثابتة” لفحص الأجزاء الداخلية للأشياء على وجه التحديد. تم نشر النتائج الآن في المجلة الضوئيات الطبيعة.

للمقارنة: شعاع الضوء بدون تشتت. الائتمان: ألارد موسك / ماتياس كوهماير

عدد فلكي من أشكال الموجات الممكنة

يمكن أن تتخذ الموجات على سطح مائي مضطرب عددًا لا حصر له من الأشكال المختلفة – وبطريقة مماثلة ، يمكن أيضًا إنشاء موجات الضوء بأشكال مختلفة لا حصر لها. يوضح البروفيسور ستيفان روتر من معهد الفيزياء النظرية بجامعة TU Wien قائلاً: “كل نمط من أنماط الموجات الضوئية يتغير وينحرف بطريقة محددة جدًا عندما ترسله عبر وسط غير منظم”.

يطور ستيفان روتر مع فريقه طرقًا رياضية لوصف تأثيرات تشتت الضوء. ساهم الفريق المحيط بالبروفيسور ألارد موسك في جامعة أوتريخت بالخبرة اللازمة لإنتاج وتمييز مثل هذه الحقول الضوئية المعقدة. يوضح ألارد موسك ، رئيس مجموعة البحث التجريبية: “كوسيلة تشتت للضوء ، استخدمنا طبقة من أكسيد الزنك – مسحوق أبيض معتم يتكون من جسيمات نانوية عشوائية تمامًا”.

أولاً ، عليك أن تميز هذه الطبقة بدقة. أنت تسلط إشارات ضوئية محددة للغاية من خلال مسحوق أكسيد الزنك وتقيس كيفية وصولها إلى الكاشف الموجود خلفه. من هذا ، يمكنك بعد ذلك استنتاج كيفية تغيير أي موجة أخرى بواسطة هذا الوسيط – على وجه الخصوص ، يمكنك حساب نمط الموجة الذي تم تغييره بواسطة طبقة أكسيد الزنك هذه تمامًا كما لو كان تشتت الموجة غائبًا تمامًا في هذه الطبقة.

“كما تمكنا من إظهار ، هناك فئة خاصة جدًا من موجات الضوء – ما يسمى بأوضاع الضوء غير المتغيرة المشتتة ، والتي تنتج نفس نمط الموجة بالضبط في الكاشف ، بغض النظر عما إذا كانت الموجة الضوئية قد تم إرسالها عبر الهواء فقط أو ما إذا كان عليه أن يخترق طبقة أكسيد الزنك المعقدة “، كما يقول ستيفان روتر. يوضح ألارد موسك: “في التجربة ، نرى أن أكسيد الزنك في الواقع لا يغير شكل موجات الضوء هذه على الإطلاق – إنها تصبح أضعف قليلاً بشكل عام”.

كوكبة نجمية في كاشف الضوء

وبقدر ما تكون أوضاع الضوء غير المتغيرة هذه مميزة ونادرة ، مع وجود عدد غير محدود من الموجات الضوئية الممكنة نظريًا ، فلا يزال بإمكان المرء العثور على العديد منها. وإذا قمت بدمج العديد من أوضاع الضوء غير المتغيرة هذه بالطريقة الصحيحة ، فستحصل مرة أخرى على شكل موجة تشتت غير متغير.

“بهذه الطريقة ، على الأقل ضمن حدود معينة ، أنت حر تمامًا في اختيار الصورة التي تريد إرسالها عبر الكائن دون تدخل” ، كما يقول جيروين بوش ، الذي عمل في التجربة كطالب دكتوراه. طالب علم. “بالنسبة للتجربة ، اخترنا كوكبة كمثال: The Big Dipper. وبالفعل ، كان من الممكن تحديد موجة تشتت ثابتة ترسل صورة Big Dipper إلى الكاشف ، بغض النظر عما إذا كانت موجة الضوء مبعثرة بواسطة طبقة أكسيد الزنك أم لا. بالنسبة للكاشف ، يبدو شعاع الضوء متماثلًا تقريبًا في كلتا الحالتين “.

نظرة داخل الزنزانة

يمكن أيضًا استخدام هذه الطريقة في العثور على أنماط الضوء التي تخترق جسمًا دون إزعاج 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 تخترق بها موجة الضوء شيئًا لا تعتمد فقط على الطول الموجي ، ولكن أيضًا على شكل الموجة ، “كما يقول ماتياس كوهماير ، الذي يعمل حاصلًا على درجة الدكتوراه. طالب في محاكاة الكمبيوتر لانتشار الموجة. “إذا كنت ترغب في تركيز الضوء داخل جسم ما في نقاط معينة ، فإن طريقتنا تفتح إمكانيات جديدة تمامًا. لقد 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 داخل الخلايا.

ما يُظهره المنشور المشترك للعلماء من هولندا والنمسا هو مدى أهمية التعاون الدولي بين النظرية والتجربة لتحقيق التقدم 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 ، الضوئيات الطبيعة.
DOI: 10.1038 / s41566-021-00789-9