Es klingt fast wie Sciene Fiction, ist aber Realität. Mithilfe von ganz speziellen Lichtwellen, sogenannten “streuungs-invarianten Lichtmoden”, lassen sich undurchsichtige Gegenstände durchsichtig machen. Zumindest für diese Lichtwellen. Normalerweise kann Licht bestimmte Materialien nicht oder nur begrenzt durchdringen, weil das Licht gestreut, verändert und abgelenkt wird. Forscher der TU Wien und der Universität Utrecht konnten nun aber zeigen, dass es eine Klasse ganz spezieller Lichtwellen gibt, für die Undurchsichtiges durchsichtig wird.
So ließen sich für “jedes spezifische ungeordnete Medium” – sei es ein Stück Würfelzucker oder ein Glas Milch – maßgeschneiderte Lichtstrahlen schaffen, die lediglich abgeschwächt, aber nicht komplett verändert werden. Dieses Licht kann dann beispielsweise den Zucker in einem ganz speziellen Muster durchdringen, als wäre er gar nicht da und kommt auf der anderen Seite als ein Lichtmuster an, das dieselbe Form wie das Ursprungsmuster hat.
Unzählig viele verschiedene Formen
So, wie die Wellen auf einer Wasseroberfläche unzählig viele verschiedene Formen annehmen könnten, könnten auch Lichtwellen unendlich viele verschiedene Formen haben, sagen die Wissenschaftler. “Jedes dieser Lichtwellenmuster wird auf ganz bestimmte Weise verändert und abgelenkt, wenn man es durch ein ungeordnetes Medium schickt“, erklärt Prof. Stefan Rotter vom Institut für Theoretische Physik der TU Wien, der mit seinem Team mathematische Methoden erarbeitet, um solche Lichtstreuungseffekt zu beschreiben.
Unterstützung bekommt er dabei von Prof. Allard Mosk, dem Leiter der experimentellen Forschungsgruppe von der Universität Utrecht, der die Expertise zur Herstellung und Charakterisierung solch komplexer Lichtfelder beisteuert. “Als lichtstreuendes Medium verwendeten wir eine Schicht aus Zinkoxid – ein undurchsichtiges, weißes Pulver aus völlig zufällig angeordneten Nanopartikeln“, sagt er. Zunächst müsse man diese Schicht genau charakterisieren und das Zinkoxidpulver mit ganz bestimmten Lichtsignalen durchleuchten. So könne man messen, wie sie dahinter am Detektor ankommen. Daraus könne man wiederum schließen, wie das Medium beliebige andere Wellen verändern würde. Schließlich könne man auch exakt berechnen, welche Wellenmuster von dieser Zinkoxidschicht so verändert werden, als würde sie die Wellen gar nicht streuen.
“Wie wir zeigen konnten, gibt es eine ganz spezielle Klasse von Lichtwellen, die sogenannten streuungs-invarianten Lichtmoden, die am Detektor genau dasselbe Wellenmuster erzeugen, egal ob die Lichtwelle nur durch Luft geschickt wurde oder ob sie die komplizierte Zinkoxidschicht durchdringen musste“, sagt Stefan Rotter. Kurz gesagt, “durch das Zinkoxid die Form dieser Lichtwellen tatsächlich nicht verändert – sie werden nur insgesamt ein wenig schwächer“, erläutert Allard Mosk.
Licht anstatt Röntgenstrahlen?
Diese streuungs-invarianten Lichtmoden sind zwar sehr selten, wenn man verschiedene aber richtig kombiniert, ist das Ergebnis eine weitere streuungs-invariante Wellenform. “Auf diese Weise kann man sich, zumindest innerhalb gewisser Grenzen, ziemlich frei aussuchen, welches Bild man störungsfrei durch das Objekt schicken möchte“, sagt Jeroen Bosch, der als Doktorand am Experiment arbeitete. Im Experiment haben die Forscher das Sternbild Großer Wagen als Beispiel gewählt. “Und tatsächlich ließ sich eine streuungs-invariante Welle ermitteln, die ein Bild vom großen Wagen zum Detektor schickt – und zwar unabhängig davon, ob die Lichtwelle von der Zinkoxidschicht gestreut wird oder nicht. Für den Detektor sieht der Lichtstrahl in beiden Fällen fast gleich aus.“
Insbesondere in der Materialforschung, bei biologischen Experimenten oder in der Medizin könnte diese Methode bestimmte Verfahren in Zukunft revolutionieren. “Im Krankenhaus verwendet man Röntgenstrahlen um in den Körper hineinzusehen – sie haben eine kürzere Wellenlänge und können daher unsere Haut durchdringen. Aber die Art, wie eine Lichtwelle ein Objekt durchdringt, hängt eben nicht nur von der Wellenlänge ab, sondern auch von der Wellenform“, sagt Matthias Kühmayer, der sich im Rahmen seiner Dissertation an der TU Wien mit Computer-Simulationen von Wellenphänomenen beschäftigt.
„Wenn man Licht im Inneren eines Objekts an bestimmten Punkten fokussieren will, dann eröffnet unsere Methode ganz neue Möglichkeiten. Wir konnten zeigen, dass sich auch die Lichtverteilung im Inneren der Zinkoxidschicht gezielt steuern lässt.“ So könnte es beispielsweise für biologische Experimente genutzt werden, bei denen Licht an ganz bestimmte Punkte eindringen soll, so dass es einen Blick tief in das Innere von Zellen ermöglicht.
Die Wissenschaftler haben die Ergebnisse ihrer Forschung im Fachjournal Nature Photonics publiziert.
Titelbild: Der Lichtstrahl durchdringt ein ungeordnetes Medium und erzeugt am Detektor trotzdem dasselbe Bild als wäre das Medium gar nicht da. © Allard Mosk/Matthias Kühmayer, TU Wien
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