Учёные создают чудо-волны, которые проникают в непроницаемые материалы

Исследователям из Венского технологического университета и Утрехтского университета удалось проникнуть в непрозрачный материал с помощью специальных световых волн, как будто этого материала вообще не существовало!
Звучит почти как научная фантастика, но это реальность. С помощью специальных световых волн непрозрачные объекты могут стать прозрачными – по крайней мере, для этих световых волн. Свет обычно не может проникать через определенные материалы или только в ограниченной степени, потому что рассеивается, изменяется и отклоняется. Но международной команде исследователей удалось показать, что существует класс совершенно особых световых волн, для которых непрозрачных объектов словно нет в природе. Это означает, что для «любой конкретной неупорядоченной среды» – будь то кусочек сахара или стакан молока – могут быть созданы индивидуальные ослабленные (но не измененные) световые лучи.

Особый класс световых волн

Ученые полагают, что световые волны – точно так же, как рябь на поверхности воды – могут принимать бесконечное множество разнообразных форм. Как объясняют авторы исследования, недавно опубликованного в журнале Nature Photonics, каждый из этих паттернов световых волн изменяется и отклоняется очень специфическим образом, когда вы посылаете его через неупорядоченную среду.
Работая над математическими методами описания таких эффектов рассеяния света, международная команда ученых использовала в качестве светорассеивающей среды слой оксида цинка – непрозрачного белого порошка из совершенно беспорядочно расположенных наночастиц. На этот слой ученые направили специфические световые сигналы, что позволило измерить как они попадают в детектор позади него. Результаты эксперимента позволяют не только сделать вывод о том, как среда изменяет любые другие волны, но также точно рассчитать, какие волновые паттерны будут изменены слоем оксида цинка, как если бы он вообще не рассеивал волны.

Свет одновременно ведет себя как частица и как волна

В общем и целом полученные результаты показали, что существует совершенно особый класс световых волн, которые производят точно такую же волновую картину на детекторе, независимо от того, посылается ли световая волна через воздух или должна проникнуть через сложный слой оксида цинка. Примечательно, что «оксид цинка на самом деле не меняет форму этих световых волн – они просто становятся немного слабее в целом».

Свет вместо рентгеновских лучей

Интересно и то, что теперь мы сами можем выбирать какое изображение отправить через объект без помех. Для эксперименты ученые выбрали в качестве примера созвездие Большой Медведицы. И действительно, удалось определить инвариантную к рассеянию волну, которая посылает на детектор изображение Большой Медведицы, вне зависимости от того, рассеивается ли световая волна слоем оксида цинка или нет. Для детектора световой луч в обоих случаях выглядит почти одинаково.
В будущем, как отмечают авторы научной работы, этот метод может революционизировать некоторые исследования материалов, особенно в биологических и медицинских экспериментах. Сегодня, чтобы заглянуть внутрь человеческого тела, врачи используют рентгеновские лучи, которые имеют более короткую длину волны и поэтому могут проникать сквозь кожу.
«Но то, как световая волна проникает в объект, точно зависит не только от длины волны, но и от формы волны, – отмечает Маттиас Кюмайер из Венского технического университета.

В 2017 году ученые пришли к выводу, что лазерная технология может сделать объекты невидимыми

Итак, если вы хотите сфокусировать свет внутри объекта в определенных точках, метод, предложенный учеными, открывает совершенно новые возможности. Судите сами – им удалось показать, что распределение света внутри слоя оксида цинка также можно специально контролировать. Например, его можно было бы использовать для биологических экспериментов, чтобы заставить свет проникать в очень специфические точки, что позволит ученым заглянуть глубоко внутрь клеток.
Отметим, что в 2017 году ученые разработали технологию маскировки, которая может сделать непрозрачные материалы невидимыми с помощью световых волн от лазеров. Совершенно непрозрачный материал облучается сверху специфическим волновым рисунком – с таким эффектом, что световые волны слева могут проходить через материал без каких-либо препятствий. По мнению ученых, этот метод может быть применен к различным видам волн и должен работать со звуковыми волнами так же хорошо, как и со световыми.