De onverstoorbare lichtstraal

Onderzoekers van de Universiteit Utrecht en de Technische Universiteit Wenen produceren speciale lichtgolven die door ondoorzichtige materialen kunnen schijnen alsof het materiaal helemaal niet aanwezig is.

Waarom is een suikerklontje niet transparant? Omdat de lichtgolven door de suikerkorrels op een zeer gecompliceerde manier worden verstrooid, gebroken en gebogen. Maar zoals een onderzoeksteam van de Universiteit Utrecht, samen met de Technische Universiteit Wenen nu heeft kunnen aantonen, is er een klasse van zeer speciale lichtgolven waarvoor dit niet van toepassing is: voor elk specifiek medium – zoals het suikerklontje dat je misschien net in je koffie hebt gedaan – kunnen op maat gemaakte lichtstralen worden geconstrueerd die door dit medium nauwelijks worden veranderd, alleen een beetje verzwakt. De lichtbundel dringt het medium binnen en het lichtpatroon dat er doorheen schijnt heeft dezelfde vorm als wanneer er helemaal geen verstrooiing plaatsvindt.

Dit idee van "verstrooings-ongevoelige golven" kan ook worden gebruikt om te onderzoeken hoe de golven zich gedragen binnenin het vestrooiende object. De resultaten zijn nu gepubliceerd in het tijdschrift Nature Photonics.

Astronomisch veel mogelijke golfvormen

De golven op een wateroppervlak kunnen een oneindig aantal verschillende vormen aannemen - en op een vergelijkbare manier kunnen lichtgolven in talloze verschillende vormen worden geproduceerd. "Elk van deze lichtgolfpatronen wordt op een heel specifieke manier veranderd en afgeleid wanneer ze door een wanordelijk medium worden gestuurd", legt prof. Stefan Rotter van het Instituut voor Theoretische Natuurkunde van de Technische Universiteit Wenen uit.

Samen met zijn team ontwikkelt Stefan Rotter wiskundige methoden om dergelijke effecten te beschrijven. De expertise in de productie en karakterisering van dergelijke complexe lichtvelden werd vertegenwoordigd door het team onder leiding van prof. Allard Mosk van het Debye Instituut voor Nanomaterialen en Duurzaamheid aan de Universiteit Utrecht. "Als lichtverstrooiend medium gebruikten we een laag zinkoxide nanodeeltjes – een basisingrediënt van witte verf. " legt Mosk uit.

Allereerst moet je deze laag precies karakteriseren. De onderzoekers verlichten het laagje met zeer specifieke lichtsignalen en meen hoe ze erachter bij de detector aankomen. Hieruit kunnen ze voorspellen hoe een willekeurige golf door verstrooiing wordt veranderd – in het bijzonder kunnen ze berekenen welke golfpatronen helemaal niet worden veranderd!

"Zoals we hebben aangetoond, is er een heel speciale klasse vanlichtgolven, de zogenaamde verstrooiings-ongevoelioge golfvormen, die precies hetzelfde golfpatroon bij de detector produceren, of de lichtgolf alleen door de lucht werd gestuurd of door de verstrooier," zegt Stefan Rotter. "In het experiment zien we dat de verstrooier de vorm van deze lichtgolven niet echt verandert – ze worden over het algemeen alleen een beetje zwakker", legt Allard Mosk uit.

Een plaatje op de lichtdetector

Deze scatter-invariant lichtmodi zijn zeer zeldzaam maar gezien het theoretisch onbeperkte aantal mogelijke lichtgolven, zijn er nog steeds veel van te vinden. En als je verschillende scatter-invariant lichtmodi correct combineert, krijg je weer een scatter-invariant golfvorm.

"Op deze manier kun je, in ieder geval binnen bepaalde grenzen, vrij kiezen welk beeld je zonder inmenging door het object wilt sturen", zegt Jeroen Bosch, die als promovendus aan het experiment werkte. "In het experiment kozen we het voorbeeld van een   sterrenbeeld– de Grote Beer. We hebben een verstroiings-invariante golf gezocht, en gevonden, die een beeld van de Grote Beer naar de detector stuurt –of de lichtgolf nu wordt verstrooid door de zinkoxidelaag of niet. Voor de detector ziet de lichtstraal er in beide gevallen bijna hetzelfde uit."

Het aanzicht in de cel

Deze methode om lichtpatronen te vinden die grotendeels ongestoord een object binnendringen, kan ook worden gebruikt voor beeldvormingstechnieken. "In het ziekenhuis worden röntgenfoto's gebruikt om in het lichaam te kijken – ze hebben een kortere golflengte en kunnen daardoor onze huid binnendringen. Maar de manier waarop een lichtgolf een object binnendringt, hangt niet alleen af van de golflengte, maar ook van de golfvorm", zegt Matthias Kühmayer, die zich bezighoudt met computersimulaties van golfverschijnselen als onderdeel van zijn proefschrift aan de Technische Universiteit Wenen. “Als je op bepaalde punten licht in een object wilt focussen, dan opent onze methode compleet nieuwe mogelijkheden. We hebben kunnen laten zien dat de lichtverdeling in de zinkoxidelaag ook gericht kan worden gestuurd.” Dit kan bijvoorbeeld interessant zijn voor biologische experimenten waarbij men op zeer specifieke punten licht wil introduceren om  diep in het binnenste van cellen te kijken.

De gezamenlijke publicatie van de wetenschappers uit Nederland en Oostenrijk laat bij uitstek zien hoe belangrijk internationale samenwerking tussen theorie en experiment  is om op dit gebied vooruitgang te boeken.

Publicatie

P. Pai, J. Bosch, M. Kühmayer, S. Rotter, A.P. Mosk; Scattering invariant modes of light in complex media, Nature Photonics (2021). https://dx.doi.org/10.1038/s41566-021-00789-9 of https://rdcu.be/cikbl