研究人员创造了可以穿透不透明材料的光波。

糖为什么不透明？因为穿过一块糖的光以一种非常复杂的方式被散射、改变和偏转。然而，维也纳维也纳大学和荷兰乌得勒支大学的一个研究小组现在已经能够证明，这种方法不适用于一种非常特殊的光波:对于任何特定的无序介质，比如你刚刚放入咖啡中的方糖，你可以构建定制的光束，这种光束实际上不会被这种介质改变，只会被衰减。当光束穿过介质时，光图案到达另一侧。它的形状和介质根本不存在一样。

“光散射不变模式”的概念也可以用于检查物体的内部。该研究成果已发表在《自然光子学》杂志上。

无数可能的波形

湍流水面上的波浪可以有无数种不同的形状——同样，光波也可以以无数种不同的形式产生。图维恩理论物理研究所的Stefan Rotter教授解释说:“当你让光波通过一种无序的介质时，每种光波的模式都会发生变化，并以一种非常特定的方式发生偏转。”

Stefan Rotter和他的团队正在开发数学方法来描述这种光散射效应。乌得勒支大学的Allard Mosk教授的团队为制造和表征这种复杂的光场提供了专业知识。“作为光散射介质，我们使用了一层氧化锌，这是一种不透明的白色粉末，由完全随机排列的纳米粒子组成，”实验研究小组负责人阿拉德·莫斯克(Allard Moske)解释道。

首先，你必须准确描述这一层。你用非常特殊的光信号照射氧化锌粉末，然后测量它们如何到达后面的探测器。由此，你可以计算出任何其他波是如何被这种介质改变的——特别是，你可以计算出氧化锌层改变了哪种波模式，就好像在这一层根本没有波散射一样。

“我们可以证明，存在一种非常特殊的光掠所谓的散射不变模式，它产生完全相同的波探测器，无论光波只是通过空气发送还是必须穿透复杂的氧化锌层，”斯蒂芬·罗格说。“在实验中，我们看到氧化锌实际上根本没有改变这些光波的形状——它只是整体上减弱了一点，”阿拉德·莫斯克解释说。

比较:没有散射的光束。资料来源:Allard Mosk/Matthias kuh Mayer

光电探测器上的星座

虽然这些具有恒定散射的光模式可能比较特殊和罕见，但理论上可能的光波数量是无限的，人们仍然可以找到许多这样的光模式。如果你把这些光模式和恒定散射以正确的方式结合起来，你会再次得到一个恒定散射的波形。

“这样，至少在一定范围内，你可以不受干扰地自由选择你想通过物体发送的图像，”博士生耶鲁安·博施说。“在实验中，我们选择了一个星座作为例子:北斗七星。事实上，可以确定一个散射不变波将北斗七星的图像发送到探测器，而不管光波是否被氧化锌层散射。对于探测器来说，两种情况下的光束看起来几乎一样。”

单位内部的情况

这种寻找穿透基本上未受干扰的物体的光图案的方法也可以用于成像过程。“在医院里，X射线被用来观察人体内部——它们的波长较短，所以可以穿透我们的皮肤。但光波穿透物体的方式不仅取决于波长，还取决于波形，”从事波传播计算机模拟的博士生马蒂亚斯·库迈耶(Matthias Kühmayer)说。“如果你想将光线聚焦在物体的某些特定点上，那么我们的方法开辟了新的可能性。我们可以证明，使用我们的方法，氧化锌层内部的光分布也可以得到特定的控制。”这在生物实验中可能很有意思，比如你想在一个非常特定的点引入光线来观察细胞的深度。

荷兰和奥地利科学家联合发表的论文表明，理论和实验之间的国际合作对于在这一研究领域取得进展是多么重要。

更多信息:Pritam Pai等，光在复杂介质中的散射不变模式，自然光子学(2021)。DOI:10.1038/s 41566-021-00789-。

期刊信息:自然光子学