پژوهشگران در دانشگاه اوترخت هلند و دانشگاه فنی وین، امواج نوری ویژه‌ای را تولید کردند که می‌تواند حتی درون مواد مات نیز نفوذ کند، چنان که گویی اصلاً چنین ماده‌ای وجود نداشته است.
به گزارش بیگ بنگ، چرا شکر شفاف نیست؟ چون نوری که درون یک ذره شکر نفوذ می‌کند طی فرآیند فوق‌العاده پیچیده‌ای دگرگون شده، پراکنده و منحرف میشود. با وجود این، گروهی از پژوهشگران از دانشگاه فنی وین و دانشگاه اوترخت هلند در حال حاضر می‌توانند نشان دهند که امواج نور بسیار خاصی وجود دارند که این پدیده در مورد آن‌ها صدق نمی‌کند:
برای هر محیط خاصی با ساختار نامنظم– نظیر حبه قندی که صرفاً در فنجان قهوه‌تان می‌ریزید – می‌توان پرتوهای نور ویژه‌ای تولید کرد که بدون تغییر از این محیط عبور کنند و فقط کمی از شدت‌شان کاسته میشود. پرتو نور از میان محیط عبور می‌کند و یک الگوی نوری با همان شکل اولیه در طرف دیگر ظاهر میشود، طوری که انگار اصلاً محیطی در کار نبوده است. لذا ایدۀ «حالت‌های نوری ناوردا در برابر پراکنش» به‌ویژه می‌تواند برای بررسی درون اجسام به‌کار رود.
تعداد نجومی حالت‌های ممکنِ موج
امواج در سطح متلاطم آب می‌توانند تا بی‌نهایت، شکل متفاوت به خود بگیرند – به همین طریق امواج نوری نیز می‌توانند در حالت‌های متفاوتِ بی‌شماری ظاهر شوند. پروفسور “استفان روتر” از انیستیتوی فیزیک نظری در دانشگاه فنی وین توضیح داد: «هر کدام از این الگوهای موج نور، هنگامی که از میان یک محیط آشفته عبور می‌کنند، دستخوش تغییر شده و به طرز خاصی منحرف می‌شوند.
«استفان روتو» به همراه گروهش در حال توسعه‌ی روش‌های ریاضیاتی ویژه‌ای هستند تا بتوانند اثرات پراکندگی نوری را تبیین کنند. وظیفه‌ی تولید و بررسی دقیق چنین میدان‌های نوری پیچیده‌ای به گروه پژوهشی پروفسور “آلارد موسک” از دانشگاه اوترخت واگذار شده بود. آلارد موسک، سرپرست گروه پژوهشی عنوان کرد: «برای شبیه‌سازی محیطی که نور را پراکنده می‌کند از یک لایه اکسید روی استفاده کردیم – پودر سفید و کدری از نانوذرات که کاملاً به‌طور تصادفی در کنار هم چیده شده‌اند.»
در گام نخست باید ویژگی‌های این لایه را به‌طور دقیق بررسی کنید. ابتدا سیگنال‌‌های نوری ویژه‌ای را از میان پودر اکسید روی، عبور می‌دهید و پرتو نوری را که به آشکارسازِ پشت آن برخورد می‌کند اندازه‌گیری می‌کنید. آنگاه با این آزمایش می‌توانید نتیجه بگیرید که سایر امواج چگونه در این محیط دستخوش تغییر می‌شوند – به ویژه، می‌توانید مشخص کنید که دقیقاً کدام الگوی موج در این لایه‌ی “اکسید روی” تغییر کرده است؛ طوری‌که انگار خبری از پراکندگی موج در این لایه نیست.
“استفان روتر” می‌گوید: «همان‌طور که در آزمایش نشان دادیم، گروه بسیار خاصی از امواج نوری معروف به «حالت‌های نوری ناوردا در برابر پراکندگی» وجود دارند که دقیقاً الگوی موجی یکسانی را در آشکارساز ایجاد می‌کنند؛ خواه موج نور فقط از میان هوا عبور کند خواه از درون لایه‌ی پیچیده‌ی اکسید روی. “آلارد موسک” عنوان کرد: «در این آزمایش، شاهد آن هستیم که در حقیقت اکسید روی، به هیچ وجه شکل این امواج نوری را تغییر نمی‌دهد – در کل شدت نور فقط کمی ضعیف‌تر میشود.
تصویر صورت فلکی خرس بزرگ در آشکارساز نور
هرچند این «حالت‌های نوری ناوردا در برابر پراکندگی» شاید کمیاب و خاص باشند، اما با در نظر گرفتن تعداد بی‌شمار امواج نوری ممکن، که از لحاظ نظری امکان‌پذیرند، باز هم می‌توان تعداد زیادی از آن‌ها را یافت. و اگر تعدادی از این «حالت‌های نوری ناوردا در برابر پراکندگی» را به‌درستی در هم ادغام کنید، الگوی موجی خاصی را به‌دست می‌آورید که باز هم در برابر پراکندگی ناورداست.
“جرون بوش” که به عنوان دانشجوی دکتری در این پژوهش فعالیت دارد عنوان کرد: «با این روش، حداقل با محدودیت‌های خاص، در انتخاب تصویری که می‌خواهید بدون تداخل از میان جسم عبور کند کاملاً آزادید. در این آزمایش، برای نمونه ما تصویر صورت فلکی خرس بزرگ را انتخاب کردیم. و در حقیقت، چه موج نور در لایه‌ی اکسید روی پراکنده شود چه نشود، تعیین موجی که در برابر پراکنش ناوردا باشد و بتواند تصویری از صورت فلکی خرس بزرگ را به آشکارساز بفرستد امکان‌پذیر بود. الگوی نوری که در آشکارساز نمایان میشود، در هر دو حالت (خواه نور پراکنده شود خواه نشود) یکسان به نظر می‌رسد.
نگاهی به درون سلول
لذا این روش شناسایی الگوهای نور که تا حد زیادی بدون تغییر در اجسام نفوذ می‌کنند، می‌تواند برای رویه‌های تصویربرداری نیز به‌کار رود. “متیاش کومایر” که به عنوان دانشجوی دکتری دربارۀ شبیه‌سازی‌های کامپیوتری انتشار موج مطالعه می‌کند عنوان کرد: «در بیمارستان‌‌ها، از پرتوهای ایکس برای مشاهده‌ی بخش‌های درونی بدن استفاده میشود – پرتو ایکس طول موج کوتاه‌تری دارد و بنابراین می‌تواند درون پوست ما نفوذ کند. اما فرآیندی که طی آن موج نور درون اجسام نفوذ می‌کند نه تنها به طول موج بستگی دارد بلکه به الگوی موج نیز وابسته است.
اگر بخواهید نور را در نقاط معینی به درون جسم متمرکز کنید، آنگاه روش ما امکانات کاملاً نوینی را برایتان فراهم می‌کند. نشان دادیم که در روش ما توزیع نور درون لایه‌ی “اکسید روی” می‌تواند دقیقاً تحت کنترل باشد. این روش می‌تواند برای آزمایش‌های زیست‌شناختی جالب باشد؛ برای مثال، در مواقعی که می‌خواهید پرتو نور را به نقاط کاملاً معینی بتابانید تا درون سلول‌ها را به‌دقت مشاهده کنید. مقاله‌ی مشترک دانشمندان هلندی و اتریشی نشان می‌دهد که تعامل بین‌المللی میان نظریه و آزمایش چقدر در پیشرفت فعالیت‌ها‌ی این حوزۀ پژوهشی اهمیت دارد. جزئیات بیشتر این پژوهش در نشریۀ Nature Photonics منتشر شده است.
منبع: سایت علمی بیگ بنگ