Het klinkt bijna als science fiction, maar het is realiteit. Met behulp van zeer speciale lichtgolven, de zogenaamde “verstrooiingsinvariante lichtmodi”, kun je dwars door ondoorzichtige voorwerpen kijken. Normaal kan licht bepaalde materialen niet of slechts in beperkte mate doordringen, omdat het licht wordt verstrooid, vervormd en afgebogen. Dat ervaren wij als ‘er niet doorheen kunnen kijken’. Onderzoekers van de Universiteit Utrecht en de Technische Universiteit Wenen hebben nu kunnen aantonen dat er een klasse van zeer speciale lichtgolven is waarmee je wel door ondoorzichtige dingen kunt heenkijken.
Op deze manier kunnen ‘lichtbundels op maat’ worden gemaakt voor “elk specifiek medium”. Of het nu een suikerklontje is, of een glas melk. Deze speciaal gemaakte lichtbundel kan dan bijvoorbeeld in een zeer specifiek patroon door de suiker dringen, alsof deze er helemaal niet was. Het licht komt aan de andere kant onveranderd aan. Het is hooguit wat afgezwakt.
Ontelbaar verschillende vormen
Net zoals de rimpelingen op een wateroppervlak ontelbare verschillende vormen kunnen aannemen, kunnen lichtgolven ook een oneindig aantal verschillende vormen aannemen, aldus de wetenschappers. “Elk van deze lichtgolfpatronen wordt op een zeer specifieke manier veranderd en afgebogen wanneer je het door een zogenoemd ongeordend medium stuurt,” legt prof. Stefan Rotter van het Instituut voor Theoretische Fysica aan de TU Wien uit. Hij werkt met zijn team werkt aan wiskundige methoden om dergelijke lichtverstrooiingseffecten te beschrijven. Hij wordt bijgestaan door Prof. Allard Mosk, het hoofd van de experimentele onderzoeksgroep van de Universiteit Utrecht. Mosk brengt expertise in over de productie en karakterisering van dergelijke complexe lichtvelden.
“Als lichtverstrooiend medium gebruikten we een laag zinkoxide. Dat was een ondoorzichtig wit poeder van volkomen willekeurig gerangschikte nanodeeltjes,” zegt hij. “Eerst,” legt hij uit, “moet je deze laag nauwkeurig karakteriseren en zeer specifieke lichtsignalen door het zinkoxidepoeder laten schijnen. Op die manier kun je meten hoe ze bij de detector aan de achterkant eruit komen. Hieruit valt af te leiden hoe het medium alle andere golven verandert. Tenslotte kun je ook precies berekenen welke golfpatronen er wel door deze zinkoxidelaag veranderen.”
“We hebben aangetoond dat er een zeer speciale klasse van lichtgolven bestaat. Dat zijn de zogenaamde verstrooiingsinvariante lichtmodes. Deze produceren bij de detector precies hetzelfde golfpatroon, ongeacht of de lichtgolf gewoon door de lucht werd gestuurd of dat hij door de gecompliceerde zinkoxidelaag heen moest,” zegt Stefan Rotter. “Het zinkoxide verandert de vorm van deze lichtgolven niet. Ze worden alleen iets zwakker,” legt Allard Mosk uit.
Licht in plaats van röntgenstralen
Vooral bij materiaalonderzoek, biologische experimenten of geneeskunde zou deze methode in de toekomst voor een revolutie kunnen zorgen. “Ziekenhuizen gebruiken röntgenstralen om in het lichaam te kijken. Deze hebben een kortere golflengte en kunnen dus door onze huid dringen. Maar de manier waarop een lichtgolf een voorwerp binnendringt, hangt niet alleen af van de golflengte, maar ook van de golfvorm,” zegt Matthias Kühmayer, die als onderdeel van zijn proefschrift aan de TU Wien werkt aan computersimulaties van golfverschijnselen.
“Als je licht binnenin een object op specifieke punten wilt richten, dan opent onze methode geheel nieuwe mogelijkheden. We konden aantonen dat de lichtverdeling binnen de zinkoxidelaag ook specifiek kan worden geregeld.” Het zou bijvoorbeeld kunnen worden gebruikt voor biologische experimenten waarbij licht tot zeer specifieke punten moet doordringen. Dat maakt een blik tot diep in het inwendige van cellen mogelijk. De wetenschappers hebben de resultaten van hun onderzoek gepubliceerd in het tijdschrift Nature Photonics.
Foto: De lichtstraal gaat door een medium en geeft bij de detector hetzelfde beeld als wanneer het medium er niet zou zijn. © Allard Mosk/Matthias Kühmayer, TU Wien.
Ook interessant: Licht uit silicium uitgeroepen tot ‘breakthrough of the year’
Als je dit artikel leuk vindt, lees dan ook:
