Pour tout milieu désordonné (comme un morceau de sucre, par exemple), on peut trouver des ondes lumineuses spéciales qui ne sont pratiquement pas modifiées par le milieu, seulement atténuées. Ces « modes de lumière invariants de diffusion » pourraient jouer un rôle majeur dans les nouvelles systems d’imagerie.



Pourquoi le sucre n’est-il pas clear ? Parce que la lumière qui pénètre dans un morceau de sucre est dispersée, modifiée et déviée d’une manière très compliquée. Cependant, comme une équipe de recherche de la TU Wien (Vienne) et de l’Université d’Utrecht (Pays-Bas) a maintenant pu le montrer, il existe une classe d’ondes lumineuses très spéciales pour lesquelles cela ne s’applique pas : pour tout milieu désordonné spécifique – comme le morceau de sucre que vous venez de mettre dans votre café – des faisceaux lumineux sur mesure peuvent être construits qui ne sont pratiquement pas modifiés par ce milieu, mais seulement atténués. Le faisceau lumineux pénètre dans le milieu, et un motif lumineux arrive de l’autre côté qui a la même forme que si le milieu n’y était pas du tout.

Cette idée de « modes de lumière invariants par diffusion » peut également être utilisée pour examiner spécifiquement l’intérieur des objets.



Astronomiquement de nombreuses formes d’ondes possibles

Les vagues sur une area d’eau turbulente peuvent prendre un nombre infini de formes différentes – et de la même manière, les ondes lumineuses peuvent également être produites sous d’innombrables formes différentes. explique le professeur Stefan Rotter de l’Institut de physique théorique de la TU Wien.

En collaboration avec son équipe, Stefan Rotter développe des méthodes mathématiques pour décrire ces effets de diffusion de la lumière. L’expertise pour produire et caractériser ces champs de lumière complexes a été apportée par l’équipe autour du professeur Allard Mosk de l’Université d’Utrecht. « En tant que milieu de diffusion de la lumière, nous avons utilisé une couche d’oxyde de zinc – une poudre blanche opaque de nanoparticules complètement disposées de manière aléatoire », explique Allard Mosk, le chef du groupe de recherche expérimentale.

Vous faites briller des signaux lumineux très spécifiques à travers la poudre d’oxyde de zinc et mesurez comment ils arrivent au détecteur derrière elle. À partir de là, vous pouvez ensuite conclure comment une autre onde est modifiée par ce milieu – en particulier, vous pouvez calculer spécifiquement quel motif d’onde est modifié par cette couche d’oxyde de zinc exactement comme si la diffusion des ondes était entièrement absente dans cette couche.

« Comme nous avons pu le montrer, il existe une classe très spéciale d’ondes lumineuses – les modes de lumière dits invariants à la diffusion, qui produisent exactement le même motif d’onde au niveau du détecteur, que l’onde lumineuse ait été ou non seulement envoyée l’air ou s’il devait pénétrer la couche compliquée d’oxyde de zinc « , explique Stefan Rotter. « Dans l’expérience, nous voyons que l’oxyde de zinc ne transform pas du tout la forme de ces ondes lumineuses – elles deviennent juste un peu in addition faibles dans l’ensemble », explique Allard Mosk.

Une constellation stellaire au détecteur de lumière

Aussi spéciaux et rares que soient ces modes de lumière invariants à la diffusion, avec le nombre théoriquement illimité d’ondes lumineuses possibles, on peut encore en trouver beaucoup. Et si vous combinez plusieurs de ces modes de lumière invariants de diffusion de la bonne manière, vous obtenez à nouveau une forme d’onde invariante de diffusion.

« De cette façon, au moins dans certaines limites, vous êtes tout à fait libre de choisir l’image que vous souhaitez envoyer à travers l’objet sans interférence », déclare Jeroen Bosch, qui a travaillé sur l’expérience en tant que doctorant. élève. « Pour l’expérience, nous avons choisi une constellation comme exemple : la Grande Ourse. Et en effet. que l’onde lumineuse soit ou non diffusée par la couche d’oxyde de zinc ou non. Pour le détecteur, le faisceau lumineux est presque le même dans les deux cas.  »

Un regard à l’intérieur de la cellule

Cette méthode de recherche de modèles de lumière qui pénètrent dans un objet en grande partie non perturbé pourrait également être utilisée pour les procédures d’imagerie. « Dans les hôpitaux, les rayons X sont utilisés pour regarder à l’intérieur du corps – ils ont une longueur d’onde in addition courte et peuvent donc pénétrer notre peau. Mais la façon dont une onde lumineuse pénètre dans un objet dépend non seulement de la longueur d’onde, mais aussi de la forme d’onde, « déclare Matthias Kühmayer, qui travaille comme doctorant. étudiant en simulation informatique de la propagation des ondes. « Si vous souhaitez focaliser la lumière à l’intérieur d’un objet à certains endroits, alors notre méthode ouvre des possibilités complètement nouvelles. Nous avons pu montrer qu’en utilisant notre approche, la distribution de la lumière à l’intérieur de la couche d’oxyde de zinc peut également être spécifiquement contrôlée. » Cela pourrait être intéressant pour des expériences biologiques, par exemple, où vous souhaitez introduire de la lumière à des details très spécifiques afin de regarder au furthermore profond des cellules.

Ce que la publication conjointe des scientifiques des Pays-Bas et d’Autriche montre déjà, c’est à quel place la coopération internationale entre la théorie et l’expérience est importante pour réaliser des progrès dans ce domaine de recherche.