Исследователи из Университета Сент-Луиса в США и Сорбонны во Франции обнаружили, что по колебаниям яркости сфокусированного света можно выявлять связи между его многочисленными путями через мутный материал. Работа Грегори Шера и Хасана Йылмаза вышла 30 сентября 2026 года в журнале Nature Communications. Опыт провели с наночастицами оксида цинка, а выводы сопоставили с компьютерными симуляциями и расчётами.

Среднее значение скрывает разброс

Чтобы провести свет через рассеивающую среду, исследователи меняют форму волнового фронта: так можно управлять интерференцией и собрать свет в выбранной точке. Эффективность оценивают по тому, насколько ярче фокус по сравнению с рассеянным фоном. Но одно среднее значение не показывает, насколько результат меняется от одной точки фокусировки к другой.

Представим, что в нескольких местах за мутным слоем по очереди собирают свет. Средняя яркость фокусов может оставаться примерно той же, хотя отдельные фокусы будут заметно ярче или тусклее. Такой разброс в опытах и симуляциях оказался больше, чем предсказывает модель, в которой пути света считают некоррелированными. По расчётам авторов, в двумерных симуляциях превышение могло быть в несколько раз.

Причина, согласно исследованию, в дальнодействующих мезоскопических корреляциях. Свет многократно рассеивается и интерферирует, поэтому разные пути оказываются статистически связаны, даже если проходят через удалённые части среды. Их влияние слабо заметно в среднем усилении, но проявляется в распределении результатов.

В эксперименте свет проходил через слой наночастиц оксида цинка толщиной около 10 микрометров. Учёные управляли 100–1000 входными каналами и фокусировали свет на одной-пяти выходных точках. При числе управляемых каналов выше примерно 100 измеренные колебания начали превышать предсказания модели без дальних корреляций. Такой подход позволяет обнаруживать их на матрицах меньшего размера: примерно при 200 входных каналах или меньше, а иногда всего с одной выходной точкой.

Есть существенная оговорка: экспериментальный образец был трёхмерным, а симуляции моделировали двумерные слои. Поэтому результаты совпадают качественно, но не количественно; превышение флуктуаций в опыте слабее, чем в симуляциях. Авторы также отмечают, что точная теория статистики таких колебаний при наличии корреляций пока остаётся открытой задачей.

Работа показывает, зачем при изучении светового фокуса важно учитывать не только среднее усиление, но и разброс. Авторы предполагают, что сходный механизм может действовать и для других волн, включая звук и микроволны, однако в этой статье проверяли именно оптическую систему. Описание результатов опубликовано в Nature Communications; тем, кто готовит собственную научную статью, полезно отдельно описывать среднее значение и вариативность измерений.

Схема показывает, как многократное рассеяние создаёт связи между путями света, которые заметны по флуктуациям яркости фокуса, хотя среднее усиление остаётся почти неизменным.

Фото: Тимур Керимов / Pexels