Όταν το φως διαπερνά ένα υλικό με έντονη σκέδαση, όπως ο βιολογικός ιστός ή άλλα αδιαφανή και ανομοιογενή μέσα, ακολουθεί πολλές διαφορετικές διαδρομές και δημιουργεί ένα φαινομενικά τυχαίο μοτίβο κηλίδων. Η διαμόρφωση του μετώπου κύματος επιτρέπει τον έλεγχο αυτής της σύνθετης συμβολής και την εστίαση του φωτός μέσα από τέτοια υλικά.
Νέα έρευνα, που δημοσιεύθηκε στο Nature Communications, δείχνει ότι οι διακυμάνσεις στην απόδοση της εστίασης περιέχουν πληροφορίες για το ίδιο το υλικό σκέδασης. Η μελέτη πραγματοποιήθηκε από ερευνητές του Saint Louis University, σε συνεργασία με το γαλλικό CNRS και το Sorbonne Université.
Οι διακυμάνσεις αποκαλύπτουν το μέσο σκέδασης
Οι ερευνητές συνδύασαν οπτικά πειράματα, αριθμητικές προσομοιώσεις και θεωρία τυχαίων μητρών και εντόπισαν τεράστιες διακυμάνσεις στον παράγοντα ενίσχυσης, οι οποίες προκαλούνται από μακράς εμβέλειας μεσοσκοπικές συσχετίσεις.
Ο Hasan Yilmaz, επικεφαλής της έρευνας, παρομοίασε το σύνθετο υλικό σκέδασης με έναν λαβύρινθο για το φως. Στα πειράματα χρησιμοποιήθηκε ένα στρώμα νανοσωματιδίων οξειδίου του ψευδαργύρου, παρόμοιων με εκείνα που κάνουν το χρώμα να φαίνεται λευκό.
Όσο ισχυρότερη είναι η σκέδαση ή όσο παχύτερο είναι το υλικό, τόσο περισσότερο περιπλανιέται το φως πριν διαφύγει. Οι διακυμάνσεις στην εστίαση λειτουργούν έτσι ως ένα είδος αποτυπώματος της διαδρομής του φωτός μέσα στο υλικό.
Η μέση απόδοση κρύβει τεράστιες διακυμάνσεις
Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν στατιστική θεωρία τυχαίων μητρών για να δημιουργήσουν μια παράμετρο-ανεξάρτητη αναφορά για τον παράγοντα ενίσχυσης. Το πλαίσιο αυτό προβλέπει με ακρίβεια τόσο τη μέση ενίσχυση όσο και τις διακυμάνσεις της όταν απουσιάζουν μακράς εμβέλειας μεσοσκοπικές συσχετίσεις.
Ωστόσο, τα πειράματα και οι προσομοιώσεις σε ισχυρά σκεδάζοντα μέσα έδειξαν ότι, ενώ η μέση ενίσχυση παραμένει σχεδόν αμετάβλητη, οι διακυμάνσεις της μπορούν να γίνουν αρκετές φορές μεγαλύτερες από την πρόβλεψη χωρίς συσχετίσεις.
Οι ερευνητές υποστηρίζουν ότι αυτές οι διακυμάνσεις δεν αποτελούν απλώς θόρυβο. Αποκαλύπτουν κρυφές συνδέσεις ανάμεσα στις πολλές διαδρομές που ακολουθεί το φως μέσα σε ένα σύνθετο μέσο.
Οι συσχετίσεις αυτές είναι θεμελιώδη χαρακτηριστικά της κυματικής μεταφοράς σε ανομοιογενή συστήματα και συνδέονται με φαινόμενα της μεσοσκοπικής φυσικής, όπως οι καθολικές διακυμάνσεις αγωγιμότητας, τα ιδιαίτερα διαπερατά κανάλια και ο εντοπισμός Anderson.
Ένα ευαίσθητο εργαλείο με πρακτικές εφαρμογές
Η μελέτη δείχνει ότι οι τεράστιες διακυμάνσεις μπορούν να προσφέρουν έναν ιδιαίτερα ευαίσθητο τρόπο ανίχνευσης των συσχετίσεων. Οι συμβατικές μέθοδοι, που βασίζονται σε ιδιοτιμές μετάδοσης, μπορεί να απαιτούν πολύ μεγάλες μήτρες μετάδοσης με χιλιάδες κανάλια εισόδου και εξόδου.
Αντίθετα, οι ερευνητές έδειξαν ότι οι μακράς εμβέλειας συσχετίσεις μπορούν να εντοπιστούν με πολύ μικρότερα σύνολα δεδομένων, χρησιμοποιώντας λιγότερα από περίπου 200 ελεγχόμενα κανάλια εισόδου και, σε ορισμένες περιπτώσεις, ακόμη και ένα μόνο κανάλι εξόδου.
Το εύρημα μπορεί να έχει σημασία για εφαρμογές όπου απαιτείται εξαιρετικά ισχυρή και αναπαραγώγιμη εστίαση μέσα από σύνθετα μέσα. Τέτοιες εφαρμογές περιλαμβάνουν την απεικόνιση υψηλής αντίθεσης και την οπτική μετρολογία υψηλής ακρίβειας.
Η μελέτη δείχνει επίσης ότι η μέση ενίσχυση δεν αποτυπώνει ολόκληρη την εικόνα. Σε ισχυρά σκεδάζοντα μέσα, οι μακράς εμβέλειας συσχετίσεις μπορούν να προκαλέσουν τεράστιες διακυμάνσεις, διευρύνοντας σημαντικά το εύρος των τιμών ενίσχυσης γύρω από τη μέση τιμή.
Η συγκεκριμένη στατιστική περιγραφή θα μπορούσε να επεκταθεί πέρα από την οπτική, καθώς παρόμοια φαινόμενα διακυμάνσεων ενδέχεται να εμφανίζονται σε ακουστικά, ελαστικά, μικροκυματικά και συστήματα κυμάτων ύλης.
