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Spezielle Lichtwellen Völlig ungestört – wie Licht ein trübes Hindernis ignoriert

Redakteur: Christian Lüttmann

Milchglas ist undurchsichtig, weil es die Lichtstrahlen zufällig in alle Richtungen streut. Doch mit dem richtigen Trick kann man Licht fast so hindurchschicken wie durch klares Fensterglas. Dies haben Forscher an einer undurchsichtigen Zinkoxidschicht demonstriert. Das störungsfreie Senden von Licht durch ein ungeordnetes Medium könnte neue Möglichkeiten für die medizinische Bildgebung eröffnen.

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Der Lichtstrahl durchdringt ein ungeordnetes Medium und erzeugt am Detektor trotzdem dasselbe Bild als wäre das Medium gar nicht da. Hier wurde das Sternbild „Großer Wagen“ projiziert.
Der Lichtstrahl durchdringt ein ungeordnetes Medium und erzeugt am Detektor trotzdem dasselbe Bild als wäre das Medium gar nicht da. Hier wurde das Sternbild „Großer Wagen“ projiziert.
(Bild: Allard Mosk/Matthias Kühmayer)

Wien/Österreich – Warum ist Zucker nicht durchsichtig? Weil Licht im Zucker gestreut, verändert und abgelenkt wird. Wie ein Forschungsteam der TU Wien und der Universität Utrecht (Niederlande) nun gezeigt hat, gibt es allerdings eine Klasse spezieller Lichtwellen, für die das nicht gilt: Für jedes spezifische ungeordnete Medium – z. B. ein Stück Würfel-Zucker – lassen sich maßgeschneiderte Lichtstrahlen konstruieren, die von diesem Medium praktisch nicht verändert, sondern nur abgeschwächt werden. Der Lichtstrahl durchdringt das Medium und auf der anderen Seite kommt ein Lichtmuster an, das dieselbe Form hat, als wäre das Medium gar nicht da. Diese Idee der „streuungsinvarianten Lichtmoden“ lässt sich verwenden, um das Innere von Objekten gezielt zu untersuchen.

Die Suche nach der Mode im Wellenhaufen

Wie funktioniert das störungsfreie Durchleuchten von Objekten, die Licht eigentlich in alle Richtungen zufällig streuen? Um das zu verstehen, muss man Lichtwellen an sich verstehen. So wie Wellen auf einer turbulenten Wasseroberfläche unendlich viele verschiedene Formen annehmen können, lassen sich man auf ähnliche Weise auch Lichtwellen in unzähligen unterschiedlichen Formen bzw. Moden herstellen. „Jedes dieser Lichtwellenmuster wird auf ganz bestimmte Weise verändert und abgelenkt, wenn man es durch ein ungeordnetes Medium schickt“, sagt Prof. Stefan Rotter vom Institut für Theoretische Physik der TU Wien.

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Gemeinsam mit seinem Team entwickelt Rotter mathematische Methoden, um solche Lichtstreuungseffekte zu beschreiben. Die Expertise zur Herstellung und Charakterisierung solch komplexer Lichtfelder wurde vom Team um Prof. Allard Mosk von der Universität Utrecht beigesteuert. „Als lichtstreuendes Medium verwendeten wir eine Schicht aus Zinkoxid – ein undurchsichtiges, weißes Pulver aus völlig zufällig angeordneten Nanopartikeln“, erläutert Mosk.

Die Forscher mussten diese Schicht zunächst genau charakterisieren. Dazu durchleuchteten sie das Zinkoxidpulver mit bestimmten Lichtsignalen und maßen, wie diese Signale am Detektor dahinter ankamen. Daraus lässt sich dann schließen, wie beliebige andere Wellen von diesem Medium verändert werden – insbesondere lässt sich gezielt berechnen, welche Wellenmuster von dieser Zinkoxidschicht genau so verändert werden, als wäre überhaupt keine Wellenstreuung in dieser Schicht vorhanden.

„Wie wir zeigen konnten, gibt es eine ganz spezielle Klasse von Lichtwellen, die so genannten streuungsinvarianten 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“, sagt Studienleiter Rotter. „Im Experiment sehen wir, dass durch das Zinkoxid die Form dieser Lichtwellen tatsächlich nicht verändert wird – sie werden nur insgesamt ein wenig schwächer“, erläutert Rotters Kollege Mosk.

Mit dem „Großen Wagen“ durch die Sichtbarriere

Auch wenn diese streuungsinvarianten Lichtmoden sehr selten sind, gibt es aufgrund der theoretisch unbegrenzten Zahl möglicher Lichtwellen trotzdem genug von ihnen, um sie praktisch nutzen zu können. Und wenn verschiedene dieser streuungsinvarianten Lichtmoden richtig kombiniert werden, ergibt sich wiederum eine streuungsinvariante Wellenform. „Auf diese Weise kann man sich, zumindest innerhalb gewisser Grenzen, ziemlich frei aussuchen, welches Bild man störungsfrei durch das Objekt schicken möchte“, sagt Jeroen Bosch, der als Doktorand am Experiment arbeitete.

In einem Experiment haben die Forscher eine Lichtprojektion des Sternbilds „Großer Wagen“ durch die undurchsichtige Zinkoxidschicht auf den Detektor projiziert. Die dazu ermittelte streuungsinvariante Welle erzeugte dabei das Sternbild auf der Detektoroberfläche „und zwar unabhängig davon, ob die Lichtwelle von der Zinkoxidschicht gestreut wird oder nicht“, wie Bosch sagt. „Für den Detektor sieht der Lichtstrahl in beiden Fällen fast gleich aus.“ Lediglich die Lichtintensität ist bei der Variante mit streuender Zinkoxidschicht etwas geringer.

Neue Möglichkeiten für biologische Experimente

Diese Methode, Lichtmuster zu finden, die ein Objekt weitgehend ungestört durchdringen, könnte auch für bildgebende Verfahren nützlich sein. „Im Krankenhaus verwendet man Röntgenstrahlen um in den Körper hineinzusehen – sie haben eine kürzere Wellenlänge und können daher unsere Haut durchdringen. Aber die Art, wie eine Lichtwelle ein Objekt durchdringt, hängt eben nicht nur von der Wellenlänge ab, sondern auch von der Wellenform“, sagt Matthias Kühmayer von der TU Wien. „Wenn man Licht im Inneren eines Objekts an bestimmten Punkten fokussieren will, dann eröffnet unsere Methode ganz neue Möglichkeiten. Wir konnten zeigen, dass sich auch die Lichtverteilung im Inneren der Zinkoxidschicht gezielt steuern lässt.“ Interessant könnte das etwa für biologische Experimente sein, bei denen man Licht an ganz bestimmten Punkten einbringen möchte, um tief in das Innere von Zellen zu blicken.

Originalpublikation: P. Pai, J. Bosch, M. Kühmayer, S. Rotter, A.P. Mosk: Scattering invariant modes of light in complex media, Nature Photonics (2021); DOI: 10.1038/s41566-021-00789-9

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