比X光更安全 可應用在醫療、軍事領域 操控光波 把物體變透明

編譯/韋士塔 |2021.04.24
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編譯/韋士塔

物體是否透明,取決於光線。為什麼糖是不透明物體?因為糖屬於紊亂介質(disordered medium),就如同粉末、沙子;它們的內部原子並無規律排列,光束進入時無法依照原先的路徑穿透,而是以非常複雜的方式被散射,這也是我們能看見物體的原理。同樣的,如果光線能夠不受任何阻礙直接穿透某個物體,這個物體在我們的眼中就如同隱形。

奧地利維也納科技大學(TU Wien)和荷蘭烏特勒支大學(Utrecht University)的研究小組,已經發現一種特殊的光波操控方式,產生能夠穿透任何紊亂介質的光束,被照射的目標彷彿並不存在。

研究團隊已把這項發現發表於《自然光子學》(Nature Photonics)期刊,主持這項研究的維也納科大理論物理研究所羅特(Stefan Rotter)博士,把這種現象稱為「光的不散射模式」(scattering-invariant modes of light)。他表示,這個發現未來或許可以應用在醫療或軍事領域,例如檢查人體內部的健康情形,或者觀察建築物內部狀況。

羅特博士指出,在光學領域中,透明度是指材料物理性質允許光穿透該材料而不被散射的程度,由於材料的分子性質與結構都不相同,因此能吸收的光波長也不一樣,比如分布在大氣臭氧層中的臭氧分子能吸收短波紫外線,木材則因為有吸光物質木質素,所以呈現不透明的棕色。

他以水流表面的漣漪解釋這些現象:「漣漪的波紋形狀有無數種;同樣的,光波照射在物體上時也是如此。然而,能夠穿透紊亂介質的光波,會以特定的方式偏轉;如果能掌握其偏轉方式並加以控制,就能產生各種不同的效果。」

這項研究的實驗小組負責人烏特勒支大學教授莫斯克(Allard Mosk),使用氧化鋅(zinc oxide)進行實驗,這是一種內部原子完全隨機排列的不透明白色粉末,他們使用複雜的計算方法確定光束通過氧化鋅材料的散射模式,並找出一種散射不變的特殊光束;這種光束不會被氧化鋅改變波形,只是能量稍微衰減。

莫斯克指出:「氧化鋅不會改變這些光波的形狀,儘管這種模式可能非常特殊且罕見,但理論上,我們如果能以正確的方式組合這些模式,就能讓光束形成的圖像,在照射到的物體後方再次呈現。」

莫斯克指出,如果相關技術成熟,或許有朝一日能協助突破現有成像技術的瓶頸,例如人體內部影像。他說:「目前,醫學上經常使用X光觀察人體內部,因為X射線的波長較短,因此能夠穿透皮膚。然而,醫學上的X光輻射屬於危害性較大的電離輻射,雖然輕微的輻射量不會致癌,但我們仍希望能開發出更安全的方式。」

羅特博士則表示,未來或許能夠利用特殊光波穿透目標,傳送想要顯示的影像,也可能利用光波讓物體隱形;新的光束操控模式能夠控制射線的波長和波形,創造了全新的可能性。

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