科学家制造出甚至可以穿透不透明材料的光波

发表在《自然光子学》杂志上的题为：“复杂介质中光的散射不变模式”的研究论文中，维也纳科技大学的科学家报告说，制造出了甚至可以穿透不透明材料的光波。研究人员引入了并实验性地实现了一套新的光学状态，称其为“散射不变模式”（scattering-invariant light modes）。

许多人知道光的散射（scattering of light）是指光通过不均匀介质时一部分光偏离原方向传播的现象，偏离原方向的光称为散射光。比方说，太阳辐射穿过地球大气指向地球表面，当辐射与大气中的气体和悬浮颗粒相互作用时，会对辐射产生散射。这种散射使我们的天空看起来是蓝色的。如果在我们的大气层中不发生散射，则地球将是暗无天日。

为什么糖不透明？因为穿透一块糖的光以非常复杂的方式被散射、改变和偏转。但是，现在科学家证明，有一类非常特殊的光波不适用于此：对于任何特定的无序介质，可以制作量身定制的光束，这种光束实际上不会被这种介质改变，而只会被衰减。光束穿透介质，并且光图案到达另一侧，其形状与好像这种介质根本不存在一样。

天文数字的可能波形

湍流的水表面上的波可以呈现出无限多种不同的形状，类似地，光波也可以以无数种不同的形式产生。维也纳科技大学理论物理研究所斯蒂芬·罗特（Stefan Rotter）教授解释说：“当您通过无序的介质发送这些光波时，每种光波都将以非常特定的方式发生改变和偏转。”罗特与他的团队开发描述这种光散射效应的数学方法。

“作为光散射介质，我们使用了一层氧化锌，一种完全随机排列的纳米颗粒的不透明白色粉末。”首先，必须精确地描述这一层。可以通过氧化锌粉末发出非常特殊的光信号，并测量它们如何到达其后面的检测器。由此，可以得出结论，该介质将如何改变任何其它波，特别是，可以确切地计算出该氧化锌层改变的波形，就像该层中完全没有波散射一样。

罗特说。“正如我们能够证明的那样，有一类非常特殊的光波，所谓的散射不变光模式，无论检测器是否仅通过空气发送，还是必须穿透复杂的氧化锌层，它们都会在检测器上产生完全相同的波形。”  “在实验中，我们发现氧化锌实际上根本不会改变这些光波的形状，它们只会使整体变弱。”

尽管这些散射不变的光模式可能非常特殊和稀有，但在理论上可能的光波数量不受限制的情况下，人们仍然可以找到其中的许多。而且，如果以正确的方式组合了这些散射不变的光模式中的几种，将再次获得散射不变的波形。

研究人员表示，“以这种方式，至少在一定的范围内，可以自由选择要通过物体发送的图像而不会受到干扰，” “在实验中，我们选择一个星座作为例子：北斗七星。的确，可以确定一个不变散射波，将北斗七星的图像发送到探测器，而不管光波是否被散射。对于探测器，光束在两种情况下看起来几乎相同。”

瞧瞧细胞的内部

查找穿透很大程度上不受干扰的物体的光图案的这种方法也可以用于成像过程。“在医院中，X射线用于观察体内，它们的波长较短，因此可以穿透我们的皮肤。但是，光波穿透对象的方式不仅取决于波长，还取决于波形。” “如果将光聚焦在对象内部的某些点上，那么我们的方法将带来全新的可能性。我们能够证明，使用我们的方法，氧化锌层内部的光分布也可以得到专门控制。”例如，对于生物学实验来说，这可能会很有趣，您想在非常特定的位置引入光以深入细胞，瞧瞧细胞的内部。

光在无序介质中的随机散射是一种与各种应用基本相关的有趣现象。这种“光的散射不变模式”，可以用来专门检查不透明材料的物体的内部。