Physik: Forscher schicken Licht durch undurchsichtiges Material

Opake Materialien lassen nicht viel Licht durch. Aufgrund ihrer ungeordneten Struktur wird das Licht stark gebrochen, gestreut und abgelenkt, sodass ein Großteil nicht mehr auf der anderen Seite ankommt – das Material erscheint so undurchsichtig. Forschern ist es nun gelungen, mit speziellen Lichtwellen auch opake Materialien zu durchdringen, als würden sie quasi nicht existieren.

Bild: Allard Mosk, Matthias Kühmayer/ TU Wien

Individuelle Wellenformen für jedes Material

Gelungen ist dies einem Team von Physikern rund um Pritam Pai von der Universität Utrecht. Die Forscher haben einen Weg gefunden, Lichtstrahlen so zu verändern, dass sie auch stark streuende Medien quasi ungehindert durchdringen können. Dazu ermittelt das Team im Vorfeld, auf welche Weise ein bestimmtes Material verschiedene Wellenformen des Lichts streut. „Jedes dieser Lichtwellenmuster wird auf ganz bestimmte Weise verändert und abgelenkt, wenn man es durch ein ungeordnetes Medium schickt„, so Koautor Stefan Rotter von der TU Wien.

Erprobt haben die Forscher ihre Methode an einer dünnen Schicht weißen Zinkoxidpulver als undurchsichtiges Testmaterial. Das Team durchleuchtete das Material mit Licht verschiedener Wellenformen und maßen dann, wie die Lichtwellen an einem hinter dem Material aufgestellten Detektor ankommen.

Forscher transportieren Bild durch opakes Medium

Auf Basis der Vorab-Messungen haben die Forscher dann berechnet, welche Wellenmuster von dem Zinkoxid so verändert werden, als gäbe es gar keine Wellenstreuung. „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„. so Rotter weiter.

Diese Lichtmoden sind zwar sehr selten, können aber durch Messungen und mathematische Modelle für jedes Material identifiziert werden. Anschließend kombinierten die Forscher mehrere dieser in Bezug auf die Zinkoxid-Schicht streuungs-invarianten Lichtmoden, um eine Wellenform zu erhalten, die das Material durchdringen kann. So können sogar optische Informationen wie ein Bild durch das Medium transportiert werden.

„Wir haben uns im Experiment für das Beispiel eines Sternbilds entschieden – den großen Wagen. 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„, erklärt Koautor Jeroen Bosch von der Universität Utrecht. Das Bild ließ sich problemlos durch das Material senden — lediglich die Helligkeit des Lichts wurde etwas dunkler.

Die Methode könnte auch genutzt werden, um neue bildgebende Verfahren zu ermöglichen. Das könnte etwa für biologische Experimente interessant sein, bei denen Licht nur an bestimmten Punkten eingebracht werden soll, etwa um tief in das Innere von Zellen zu blicken. Auch in der Medizin könnte die Methode angewendet werden.

via TU Wien