Publicatie in Nature Physics

Optimale informatie over het onzichtbare

Hoe meet je objecten die je onder normale omstandigheden niet zien? Onderzoekers van de Universiteit Utrecht en TU Wien (Wenen) openen nieuwe mogelijkheden met speciale lichtgolven. De resultaten zijn gepubliceerd in Nature Physics.

Laserstralen kunnen worden gebruikt om de positie of snelheid van een object nauwkeurig te meten. Normaal gesproken is echter een duidelijk, onbelemmerd beeld van dit object vereist – en dat is niet altijd het geval. Onderzoek in velden als biologie en geneeskunde, maar ook materiaalwetenschappen gaat vaak over structuren die zijn ingebed in een onregelmatige, complexe omgeving. Daar wordt de laserstraal gereflecteerd en verstrooid, waardoor het vaak onmogelijk is om nuttige gegevens uit de meting te verkrijgen.

Onderzoekers uit Utrecht en Wenen hebben nu echter aangetoond dat ook in zulke complexe omgevingen zinvolle metingen mogelijk zijn. Er is namelijk een manier om de laserstraal specifiek aan te passen, zodat deze precies de gewenste informatie levert in de complexe, wanordelijke omgeving. Het is zelfs mogelijk om de unieke best mogelijke laserstraal voor een meting te definieren.

Het vacuüm en het badkamerraam

"Je wilt altijd de best mogelijke meetnauwkeurigheid bereiken – dat is een centraal thema van alle natuurwetenschappen", zegt Stefan Rotter (TU Wien). "Denk aan de enorme LIGO-faciliteit, die wordt gebruikt om zwaartekrachtgolven te detecteren. Daar stuur je laserstralen op een spiegel, en veranderingen in de afstand tussen de laser en de spiegel worden met uiterste precisie gemeten." Dit werkt zo goed omdat de laserstraal loopt door een ultra-hoog vacuüm, om elke verstoring, hoe klein ook, te vermijden.

Maar wat kun je doen als je te maken hebt met verstoringen die je niet kunt vermijden? "Stel je een glaspaneel voor dat niet perfect transparant is, maar ruw en ongepolijst, zoals een badkamerraam", zegt Allard Mosk van de Universiteit Utrecht. "Licht kan daar doorheen, maar niet in een rechte lijn. Het glas verandert en verspreidt de lichtgolven , dus we kunnen een object aan de andere kant van het raam niet nauwkeurig zien met het blote oog." De situatie lijkt op die wanneer wetenschappers kleine objecten in biologisch weefsel onderzoeken: de wanorde verstoort de lichtstraal. De strak gefocuste laserstraal wordt dan een ingewikkeld golfpatroon dat in alle richtingen wordt afgebogen.

Target behind a bathroom window. When light gets deflected by a disordered structure it becomes difficult to estimate where the target is located.

Doelwit achter een verstrooidende ruit. Wanneer het licht wordt afgebogen door een wanordelijke  structuur wordt het moeilijk om in te schatten waar het doel zich bevindt. De onderzoekers hebben een procedure ontworpen die het mogelijk maakt om de optimale precisie te bereiken.

De optimale golf

Als je echter precies weet wat de storende omgeving doet met de lichtbundel, kun je de situatie omkeren. Je kunt dan een ingewikkeld golfpatroon creëren dat wordt omgezet in precies de straal die het beste resultaat kan leveren. "Om dit te bereiken, hoef je niet eens precies te weten wat de verstoringen zijn," legt Dorian Bouchet uit (Universiteit Utrecht/Université Grenoble Alpes), eerste auteur van de studie. "Het is voldoende om eerst een reeks proefgolven door het systeem te sturen om te meten hoe ze door het systeem worden veranderd."

De onderzoekers ontwikkelden samen een wiskundige procedure en gebruikten die vervolgens om de optimale golf te berekenen. Neem bijvoorbeeld een object dat verborgen is achter matglas: er is een optimale lichtgolf die kan worden gebruikt om de maximale hoeveelheid informatie te verkrijgen over de vraag of het object een beetje naar rechts of een beetje naar links is verplaatst. Deze golf ziet er ingewikkeld en wanordelijk uit, maar wordt vervolgens door de troebele ruit zodanig gewijzigd dat deze op precies de gewenste manier bij het object aankomt, waardoor de grootst mogelijke hoeveelheid informatie aankomt op het meetapparaat.

Laserexperimenten in Utrecht

Het feit dat de methode daadwerkelijk werkt, is experimenteel bevestigd aan de Universiteit Utrecht. Laserstralen werden door een verstrooiend medium in de vorm van een matglas plaat geleid. Het verstrooiingsgedrag van het medium werd daardoor gekarakteriseerd, waarna de optimale golven werden berekend om een object achter het matglas te analyseren – en dat lukte, met precisie van enkele nanometers.

Vervolgens voerde het team verdere metingen uit om de grenzen van hun nieuwe methode te testen, door het aantal fotonen in de laserstraal aanzienlijk te verminderen om te zien of er dan nog een zinvol resultaat uit komt. Op deze manier konden ze aantonen dat de methode niet alleen werkt, maar zelfs optimaal is. "We zien dat de precisie van onze methode alleen wordt beperkt door de zogenaamde kwantumruis", legt Allard Mosk uit. "Deze ruis is het gevolg van het feit dat laserlicht bestaat uit fotonen – een fundamenteel natuurkundig principe. Maar binnen de grenzen van wat kwantumfysica ons in staat stelt te doen met een laserstraal, kunnen we de optimale golven berekenen om verschillende dingen te meten. Niet alleen de positie, maar ook de beweging of de draairichting van objecten."

De studie is uitgevoerd binnen een NWO-Perspectief onderzoeksprogramma voor nanometer-schaal beeldvorming van halfgeleiderstructuren, waarin universiteiten samenwerken met de industrie. Mogelijke toepassingsgebieden voor deze nieuwe technologie zijn te vinden in de productie van computerchips, waar uiterst nauwkeurige metingen onontbeerlijk zijn.

The optimal procedure works by imprinting a pattern on the incoming laser beam that yields the maximum information output on the object

In plaats van een rechte, gewone laserstraal te gebruiken om de positie van een verborgen object in een wanordelijke omgeving te meten (boven), werkt de optimale procedure door een patroon op de binnenkomende laserstraal aan te brengen dat de maximale informatie-en dus de nauwkeurigste positiebepaling oplevert (onder).

Publicatie

Maximum information states for coherent scattering measurements (freely available version)
D. Bouchet*, S. Rotter en A. P. Mosk*
Nature Physics 2021, advance online publication; DOI 10.1038/s41567-020-01137-4

* onderzoekers verbonden aan de Universiteit Utrecht