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Neues aus der Physik – Licht durchdringt sogar undurchsichtiges Material

| von Julia
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Was wäre, wenn ein Lichtstrahl ein stark streuendes Medium durchdringen und am Bildschirm dennoch ein klares Bild erzeugen könnte? Und zwar fast so, als wäre das Medium überhaupt nicht vorhanden. Was dem ersten Anschein nach so anmutet, als sei es pure Zauberei, ist vielmehr eine bahnbrechende Kenntnis aus der Welt der Physik. So ist es niederländischen und österreichischen Forschern jüngst in der Tat gelungen, mit speziellen Lichtwellen Bilder durch opake bzw. lichtundurchlässige Materialien zu transportieren.

Die fantastische Macht des Lichts

Es ist wie ein kleines Wunder. Wissenschaftler haben im Rahmen umfangreicher Studien Lichtwellen erzeugt, die sogar undurchsichtige Materialien durchdringen können. Auf diese Weise ist es möglich, Bilder durch ein nicht transparentes Medium zu leiten, als seien sie Luft. Die Forscher sprechen hierbei von sogenannten „streuungsinvarianten Lichtmoden“. In der Konsequenz kann es möglich sein, völlig neue Anwendungen durchzuführen – als Basis für weitere bahnbrechende Versuche. Eine derartige Innovation lässt sich besonders anhand einfacher Beispiele verdeutlichen:

Licht und Zucker – eine „erhellende“ Entdeckung

Bei einem Stück Würfelzucker handelt es sich um ein Material, durch das man nicht ohne Weiteres hindurchschauen kann. Es ist also undurchsichtig. Das liegt an der in sich vollkommen ungeordneten Strukturierung. Dies führt zu einer starken Lichtbrechung und -streuung. In der Folge wird der einfallende Lichtstrahl in der Art verändert, dass der größte Teil nicht mehr „in einem Stück“ auf der anderen Seite des Würfelzuckerstücks ankommt.

Sicherlich können einige Lichtsegmente, wie die ballistischen Photonen, ungestört von der einen Seite auf die andere gelangen. Allerdings ist ihr Anteil so gering, dass sie kaum von Relevanz sind. Physiker der Universität Utrecht in den Niederlanden haben in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern der Technischen Universität Wien eine Möglichkeit entdeckt, die Struktur der Lichtstrahlen so zu konzeptionieren, dass sie selbst stark streuende Medien – wie zum Beispiel ein Stück Würfelzucker oder ein Glas Milch – leicht und ungestört durchlaufen können.

Die Vorarbeit ist entscheidend

Das Forscherteam hat erkannt, wie wichtig es ist, im Vorfeld herauszufinden, wie ein bestimmtes Medium die verschiedenen Wellenformen des einfallenden Lichtes streut. Hierbei wird jedes Lichtwellenmuster in einer spezifischen Art und Weise verändert und umgelenkt, sobald es durch ein unstrukturiertes bzw. undurchsichtiges Material transferiert wird. In den Untersuchungen kamen zunächst weder Zucker noch Milch zur Anwendung. Vielmehr griffen die Forscher auf eine hauchdünne Schicht weißen Zinkoxidpulvers zurück. Dieses undurchsichtige Medium wurde durchleuchtet, wobei Lichtstrahlen mit unterschiedlicher Wellenstruktur genutzt wurden.

Wie ein Lichtstrahl bzw. eine Lichtwelle ein Medium durchdringt, hängt unter anderem von folgenden Faktoren ab:

  • Die Wellenlänge ist hierbei in erster Linie von Relevanz.
  • Die Maße der Lichtwellen spielen ebenfalls eine Rolle.
  • Auch die Form sowie die Strukturierung der Lichtwelle nimmt diesbezüglich einen hohen Stellenwert ein.

Auf der Basis komplexer Vorab-Berechnungen war es den Wissenschaftlern möglich zu eruieren, welche Wellenstrukturen von der Zinkoxidschicht in der Form verändert werden, als gäbe es gar keine Streuung der Lichtwellen. Man fand heraus, dass es eine spezifische Klasse von Lichtwellen gibt, die am Bildschirm exakt dieselbe Lichtwellenstruktur erzeugen. Physiker sprechen dabei von streuungsinvarianten Lichtmoden. Dabei ist es unerheblich, ob die Lichtwelle durch eine komplexes Zinkoxidschicht oder lediglich durch Luft transferiert wird.

Warum ist diese Erkenntnis so wertvoll?

Die Entdeckung der Physiker ist in verschiedenen Bereichen von essenzieller Bedeutung. So soll es fortan möglich sein, mithilfe dieser Erkenntnis optische Informationen durch undurchsichtige Materialien zu senden. Darüber hinaus könnten über kurz oder lang sogar neue bildgebende Verfahren entwickelt werden. Ein Aspekt, der auch mit Blick auf die Durchführung biologischer Experimente von Bedeutung wäre. Zum Beispiel, wenn es darum geht, Licht an bestimmten Punkten zu implementieren, um in das tiefste Innere von Zellen oder Zellstrukturen zu blicken. Darüber hinaus kann die bahnbrechende Methode in vielen Bereichen der Grundlagenforschung bzw. der Medizin oder in der Materialforschung neue Verfahrensweisen ermöglichen.

Die Modifizierung des Lichts

Streuungsinvariante Lichtmoden kommen nach Angaben der Forscher zwar extrem selten vor. Dennoch kann es mithilfe gezielter Methoden und Messungen anhand komplexer mathematischer Modelle sehr wohl möglich sein, für fast jedes Medium die entsprechenden Lichtmoden zu kreieren. In Anlehnung hieran ist es denkbar, eine Lichtwellenstruktur zu generieren, die selbst hoch komplizierte optische Informationen durch ein undurchsichtiges Material überragen kann. Das in den Tests verwendete Zinkoxid verändert die Form der Lichtwellen nicht, sondern das Medium trägt lediglich zu einer Abschwächung der Wellenstruktur bei. Es bleibt spannend, was in Zukunft dank dieser Entdeckung alles möglich sein wird.

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