特殊光束能穿过不透明材料,仿佛材料被隐形

为什么有些物质高透光(比如水)、但有些不透光(比如糖)?后者起因于光在进入材料后以非常复杂的方式被散射、改变和偏转。然而现在科学家发现一种非常特殊的光波,居然能穿通以往我们认为不透光的物体,比如方糖,仿佛该材料不存在一样。

在光学领域,透明度是指材料物理性质允许光穿透该材料而不被散射的程度,由于材料的分子性质与结构都不相同,因此能吸收的光波长也不一样,比如分布在大气臭氧层中的臭氧分子能吸收短波紫外线,木材则因为有吸光物质木质素所以呈现不透明的棕色。

就像水面上的涟漪可以呈现各种形状,光波也具有无数种形状,而粉末、沙子、云、糖等这些无序介质,它们内部原子不像晶体那样规律排列,而是散漫随便地排一排,当光进入这些材料后,会以相当复杂的方式被散射与偏转。

但从理论上讲,如果能够弄清楚这些材料的内部散射模式,则我们可以操纵光波使它们通过材料而不会发生散射。现在,来自荷兰乌特勒支大学与奥地利维也纳工业大学的科学家们做到这件事了。

研究人员取来氧化锌(zinc oxide)进行实验——一种内部原子完全随机排列的不透明白色粉末,接着使用非常复杂的数学方法确定光通过氧化锌材料的散射模式,并找出一种散射不变的特殊光束,基本上通过光后完全不会被氧化锌改变波形,只是整体能量稍微衰减了些。

虽然这种光非常稀有,但理论上如果以正确方式组合,则应该能得到其他散射不变的光,也就是说科学家针对任何无序介质(无论是方糖还是牛奶)或许能量身打造特定光束,然后这光以非常特定的模式不受干扰穿过材料。

这项研究或许有一天能帮助突破现有成像技术,比如让X射线安全穿透人体。新论文发布在《自然-光子学》(Nature Photonics)期刊。

(首图来源:维也纳工业大学)