Ученые выяснили, что гигантские флуктуации света раскрывают скрытые корреляции в непрозрачных материалах

Исследователи из Университета Сент-Луиса, Национального центра научных исследований Франции (CNRS) и Университета Сорбонны обнаружили, что флуктуации усиления при фокусировке света через рассеивающие материалы содержат информацию о самом материале. Результаты опубликованы в журнале Nature Communications. Об этом сообщает издание Phys.org.

Когда свет проходит через сильно рассеивающую среду, например биологическую ткань, он распадается на множество путей, создавая случайную спекл-картину. Метод формирования волнового фронта позволяет управлять этим сложным интерференционным процессом и фокусировать свет. Успех фокусировки обычно оценивается по фактору усиления — показателю того, насколько ярче оптимизированный фокус по сравнению с диффузным фоном. Однако флуктуациям этого фактора от одной реализации к другой уделялось мало внимания.

Ученые объединили оптические эксперименты, численное моделирование и теорию случайных матриц. Они обнаружили, что среднее значение усиления может хорошо согласовываться с теорией, в то время как его флуктуации становятся в несколько раз больше предсказаний, не учитывающих корреляции. Эти гигантские флуктуации, как выяснилось, связаны с дальнодействующими мезоскопическими корреляциями — скрытыми связями между множеством путей, которые свет проходит в среде.

В эксперименте в качестве рассеивающей среды использовался слой наночастиц оксида цинка, похожих на частицы, придающие краске белый цвет. Чем сильнее рассеяние или толще материал, тем больше света блуждает по этому лабиринту, и гигантские флуктуации несут отпечаток этого пути.

Практическая значимость работы в том, что корреляции можно обнаружить с помощью гораздо меньших наборов данных — менее чем примерно 200 управляемых входных каналов, а в некоторых случаях даже одного выходного канала. Это важно для приложений, требующих сильной и воспроизводимой фокусировки, например для высококонтрастной визуализации и высокоточной оптической метрологии. Механизм основан на многократном рассеянии и статистике конечных систем, поэтому аналогичные эффекты могут наблюдаться в акустических, упругих, микроволновых и волновых системах материи.