Para comparação: O feixe de luz sem espalhamento. Crédito: Allard Mosk / Matthias Kühmayer

Por que o açúcar não é transparente? Porque a luz que penetra em um pedaço de açúcar é espalhada, alterada e desviada de uma forma altamente complicada. No entanto, como uma equipe de pesquisa da TU Wien (Viena) e da Universidade de Utrecht (Holanda) agora foi capaz de mostrar, há uma classe de ondas de luz muito especiais para as quais isso não se aplica: para qualquer meio específico desordenado – como o cubo de açúcar que você acabou de colocar no seu café – feixes de luz feitos sob medida podem ser construídos que praticamente não são alterados por este meio, mas apenas atenuados. O feixe de luz penetra no meio, e um padrão de luz chega do outro lado que tem a mesma forma como se o meio não estivesse lá.

Esta ideia de “modos de luz invariantes por espalhamento” também pode ser usada para examinar especificamente o interior dos objetos. Os resultados já foram publicados na revista Nature Photonics.

Um número astronômico de formas de onda possíveis

As ondas em uma superfície de água turbulenta podem assumir um número infinito de formas diferentes – e de forma semelhante, as ondas de luz também podem ser feitas em inúmeras formas diferentes. “Cada um desses padrões de onda de luz é alterado e desviada de uma maneira muito específica quando você o envia através de um meio desordenado”, explica o Prof. Stefan Rotter do Instituto de Física Teórica da TU Wien.

Junto com sua equipe, Stefan Rotter está desenvolvendo métodos matemáticos para descrever esses efeitos de dispersão de luz. A experiência para produzir e caracterizar tais campos de luz complexos foi contribuída pela equipe em torno do Prof. Allard Mosk na Universidade de Utrecht. “Como meio de dispersão de luz, usamos uma camada de óxido de zinco – um pó branco opaco de nanopartículas dispostas de maneira totalmente aleatória”, explica Allard Mosk, chefe do grupo de pesquisa experimental.

Primeiro, você deve caracterizar essa camada com precisão. Você ilumina sinais de luz muito específicos através do pó de óxido de zinco e mede como eles chegam ao detector atrás dele. A partir disso, você pode concluir como qualquer outra onda é alterada por este meio – em particular, você pode calcular especificamente qual padrão de onda é alterado por esta camada de óxido de zinco exatamente como se o espalhamento de onda estivesse totalmente ausente nesta camada.

“Como pudemos mostrar, há uma classe muito especial de ondas de luz – os chamados modos de luz invariante por espalhamento, que produzem exatamente o mesmo padrão de onda no detector, independentemente de a onda de luz ter sido enviada apenas pelo ar ou se teve que penetrar na complicada camada de óxido de zinco”, diz Stefan Rotter. “No experimento, vemos que o óxido de zinco realmente não muda a forma dessas ondas de luz – elas apenas ficam um pouco mais fracas no geral”, explica Allard Mosk.

Uma constelação estelar no detector de luz

Por mais especiais e raros que esses modos de luz invariáveis ​​de espalhamento possam ser, com o número teoricamente ilimitado de ondas de luz possíveis, ainda se pode encontrar muitos deles. E se você combinar vários desses modos de luz invariante de espalhamento da maneira certa, você obterá uma forma de onda invariante de espalhamento novamente.

“Dessa forma, pelo menos dentro de certos limites, você é bastante livre para escolher qual imagem deseja enviar através do objeto sem interferência”, diz Jeroen Bosch, que trabalhou no experimento como aluna de Ph.D. “Para o experimento, escolhemos uma constelação como exemplo: a Ursa Maior. E, de fato, foi possível determinar uma onda invariante de espalhamento que envia uma imagem da Ursa Maior para o detector, independentemente de a onda de luz ser espalhada por a camada de óxido de zinco ou não. Para o detector, o feixe de luz parece quase o mesmo em ambos os casos.”

Uma olhada dentro da célula

Este método de localização de padrões de luz que penetram um objeto praticamente imperturbável também pode ser usado para procedimentos de imagem. “Em hospitais, os raios-X são usados ​​para olhar dentro do corpo – eles têm um comprimento de onda mais curto e podem, portanto, penetrar em nossa pele. Mas a maneira como uma onda de luz penetra em um objeto depende não apenas do comprimento de onda, mas também da forma de onda.” diz Matthias Kühmayer, que trabalha como Ph.D. estudante em simulações computacionais de propagação de ondas. “Se você deseja focar a luz dentro de um objeto em determinados pontos, nosso método abre possibilidades completamente novas. Fomos capazes de mostrar que, usando nossa abordagem, a distribuição da luz dentro da camada de óxido de zinco também pode ser controlada especificamente.” Isso pode ser interessante para experimentos biológicos, por exemplo, em que você deseja introduzir luz em pontos muito específicos para observar o interior das células.

O que a publicação conjunta de cientistas da Holanda e da Áustria já mostra é a importância da cooperação internacional entre teoria e experimento para o progresso nesta área de pesquisa.

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