Pourquoi le sucre n'est-il pas transparent ? Parce que la lumière qui pénètre dans un morceau de sucre est dispersée, modifié et dévié 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 particulières 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 médium, mais seulement atténué. Le faisceau lumineux pénètre dans le milieu, et un motif lumineux arrive de l'autre côté qui a la même forme que si le support n'était pas du tout là.

Cette idée de "modes de diffusion invariants de la lumière" peut également être utilisée pour examiner spécifiquement l'intérieur des objets. Les résultats sont maintenant publiés dans la revue Photonique de la nature .

Un nombre astronomique de formes d'ondes possibles

Les vagues sur une surface 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. "Chacun de ces modèles d'ondes lumineuses est modifié et dévié d'une manière très spécifique lorsque vous l'envoyez à travers un milieu désordonné, " explique le professeur Stefan Rotter de l'Institut de physique théorique de la TU Wien.

Avec son équipe, Stefan Rotter développe des méthodes mathématiques pour décrire de tels effets de diffusion de la lumière. L'expertise pour produire et caractériser des champs lumineux aussi complexes a été apportée par l'équipe du professeur Allard Mosk de l'Université d'Utrecht. "En tant que milieu diffusant la lumière, nous avons utilisé une couche d'oxyde de zinc - un opaque, poudre blanche de nanoparticules disposées de manière complètement aléatoire, " explique Allard Mosk, le chef du groupe de recherche expérimentale.

D'abord, il faut caractériser précisément cette couche. Vous faites passer des signaux lumineux très spécifiques à travers la poudre d'oxyde de zinc et mesurez comment ils arrivent au détecteur situé derrière. De là, vous pouvez alors conclure comment toute autre onde est modifiée par ce milieu, en particulier, vous pouvez calculer précisément quel motif d'onde est modifié par cette couche d'oxyde de zinc exactement comme si la diffusion des ondes était totalement absente dans cette couche.

« Comme nous avons pu le montrer, il existe une classe très spéciale d'ondes lumineuses - les modes lumineux invariants de diffusion, qui produisent exactement le même motif d'onde au niveau du détecteur, indépendamment du fait que l'onde lumineuse n'ait été envoyée que dans l'air ou qu'elle doive pénétrer la couche compliquée d'oxyde de zinc, " dit Stefan Rotter. " Dans l'expérience, nous voyons que l'oxyde de zinc ne change en fait pas du tout la forme de ces ondes lumineuses - elles deviennent juste un peu plus faibles dans l'ensemble, " explique Allard Mosk.

Une constellation stellaire au détecteur de lumière

Aussi spéciaux et rares que puissent être ces modes lumineux invariants de diffusion, avec le nombre théoriquement illimité d'ondes lumineuses possibles, on en trouve encore beaucoup. Et si vous combinez correctement plusieurs de ces modes d'éclairage invariants de diffusion, 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 quelle image vous souhaitez envoyer à travers l'objet sans interférence, " dit Jeroen Bosch, qui a travaillé sur l'expérience en tant que doctorant. étudiant. "Pour l'expérience, nous avons choisi une constellation comme exemple :La Grande Ourse. Et en effet, il a été possible de déterminer une onde invariante de diffusion qui envoie une image de la Grande Ourse au détecteur, que l'onde lumineuse soit diffusée ou non par la couche d'oxyde de zinc. Au 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 motifs lumineux qui pénètrent dans un objet en grande partie sans être dérangé 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 plus courte et peuvent donc pénétrer notre peau. Mais la façon dont une onde lumineuse pénètre dans un objet ne dépend pas seulement de la longueur d'onde, mais aussi sur la forme d'onde, " dit Matthias Kühmayer, qui travaille comme doctorant. étudiant sur les simulations informatiques de la propagation des ondes. "Si vous voulez focaliser la lumière à l'intérieur d'un objet à certains points, 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 points très précis afin de regarder au plus profond des cellules.

Ce que la publication conjointe des scientifiques des Pays-Bas et de l'Autriche montre déjà, c'est à quel point la coopération internationale entre la théorie et l'expérience est importante pour faire progresser ce domaine de recherche.