¿Por qué el azúcar no es transparente? Porque la luz que penetra en un trozo de azúcar se dispersa, altera y desvía de una forma muy complicada. Sin embargo, como ha podido demostrar un equipo de investigación de TU Wien (Viena) y la Universidad de Utrecht (Países Bajos), existe una clase de ondas de luz muy especiales para las que esto no se aplica: para cualquier medio desordenado específico, como el terrón de azúcar que acaba de poner en su café; se pueden construir haces de luz hechos a medida que prácticamente no se modifican con este medio, sino que solo se atenúan. El haz de luz penetra en el medio y llega un patrón de luz al otro lado que tiene la misma forma que si el medio no estuviera allí.
Esta idea de “modos de luz invariantes en dispersión” también se puede utilizar para examinar específicamente el interior de los objetos. Los resultados se han publicado ahora en la revista Nature Photonics.
Un número astronómico de posibles formas de onda.
Las ondas en una superficie de agua turbulenta pueden adoptar un número infinito de formas diferentes y, de manera similar, las ondas de luz también se pueden formar en innumerables formas diferentes. “Cada uno de estos patrones de ondas de luz cambia y se desvía de una manera muy específica cuando se envía a través de un medio desordenado”, explica el profesor Stefan Rotter del Instituto de Física Teórica de TU Wien.
Junto con su equipo, Stefan Rotter está desarrollando métodos matemáticos para describir tales efectos de dispersión de luz. La experiencia para producir y caracterizar campos de luz tan complejos fue aportada por el equipo del profesor Allard Mosk de la Universidad de Utrecht. “Como medio de dispersión de la luz, utilizamos una capa de óxido de zinc, un polvo blanco opaco de nanopartículas dispuestas completamente al azar”, explica Allard Mosk, director del grupo de investigación experimental.
Primero, debes caracterizar esta capa con precisión. Usted hace brillar señales de luz muy específicas a través del polvo de óxido de zinc y mide cómo llegan al detector detrás de él. A partir de esto, puede concluir cómo este medio cambia cualquier otra onda; en particular, puede calcular específicamente qué patrón de onda cambia esta capa de óxido de zinc exactamente como si la dispersión de ondas estuviera completamente ausente en esta capa.
“Como pudimos demostrar, existe una clase muy especial de ondas de luz, los llamados modos de luz invariantes de dispersión, que producen exactamente el mismo patrón de onda en el detector, independientemente de si la onda de luz solo se envió a través del aire. o si tenía que penetrar la complicada capa de óxido de zinc “, dice Stefan Rotter. “En el experimento, vemos que el óxido de zinc en realidad no cambia la forma de estas ondas de luz en absoluto, simplemente se debilitan un poco en general”, explica Allard Mosk.
Una constelación estelar en el detector de luz.
Por muy especiales y raros que puedan ser estos modos de luz invariantes en la dispersión, con el número teóricamente ilimitado de posibles ondas de luz, todavía se pueden encontrar muchas de ellas. Y si combina varios de estos modos de luz invariantes de dispersión de la manera correcta, obtendrá nuevamente una forma de onda invariante de dispersión.
“De esta manera, al menos dentro de ciertos límites, es bastante libre de elegir qué imagen desea enviar a través del objeto sin interferencias”, dice Jeroen Bosch, quien trabajó en el experimento como Ph.D. estudiante. “Para el experimento, elegimos una constelación como ejemplo: La Osa Mayor. Y de hecho, fue posible determinar una onda invariante de dispersión que envía una imagen de la Osa Mayor al detector, independientemente de si la onda de luz se dispersa por la capa de óxido de zinc o no. Para el detector, el haz de luz se ve casi igual en ambos casos “.
Una mirada al interior de la celda
Este método de encontrar patrones de luz que penetran un objeto en gran parte sin ser molestados también podría usarse para procedimientos de imágenes. “En los hospitales, los rayos X se utilizan para mirar dentro del cuerpo; tienen una longitud de onda más corta y, por lo tanto, pueden penetrar nuestra piel. Pero la forma en que una onda de luz penetra en un objeto depende no solo de la longitud de onda, sino también de la forma de onda”. dice Matthias Kühmayer, quien trabaja como Ph.D. estudiante en simulaciones por computadora de propagación de ondas. “Si desea enfocar la luz dentro de un objeto en ciertos puntos, entonces nuestro método abre posibilidades completamente nuevas. Pudimos demostrar que usando nuestro enfoque, la distribución de la luz dentro de la capa de óxido de zinc también se puede controlar específicamente”. Esto podría ser interesante para experimentos biológicos, por ejemplo,
Lo que ya muestra la publicación conjunta de los científicos de los Países Bajos y Austria es la importancia de la cooperación internacional entre la teoría y la experimentación para lograr avances en esta área de investigación.
