Sfruttare il mezzo di diffusione non lineare per op

Jul 13, 2023

Decodificare la risposta ottica dei mezzi di scattering non lineare: un salto verso operatori fisici altamente scalabili

Istituto per le scienze di base

immagine: il mezzo di scattering non lineare, come mostrato in (a), mostra scattering e modulazione non lineare attraverso nanoparticelle non lineari, rendendo la sua risposta impossibile da caratterizzare utilizzando matrici lineari convenzionali. Per misurare la risposta non lineare, è stato sviluppato un sistema di interferenza non lineare della seconda armonica, come mostrato in (b).vedere di più

Credito: Istituto per le scienze di base

Si può vedere attraverso un mezzo di diffusione come il vetro smerigliato? Convenzionalmente, un’impresa del genere sarebbe ritenuta impossibile. Mentre la luce viaggia attraverso un mezzo opaco, le informazioni contenute nella luce vengono “confuse”, quasi come se fossero sottoposte a una complessa crittografia. Recentemente, una notevole scoperta scientifica da parte del team del professor Choi Wonshik del Centro IBS per la spettroscopia e la dinamica molecolare (IBS CMSD) ha scoperto un modo per utilizzare questo fenomeno nel calcolo ottico e nell'apprendimento automatico.

Dal 2010, diversi studi precedenti hanno tentato di sfruttare le informazioni perse a causa della dispersione dei mezzi, come i tessuti biologici, utilizzando la matematica. Ciò è stato tipicamente fatto impiegando operatori ottici come matrici di scattering lineare, che possono essere utilizzate per determinare le relazioni ingresso-uscita dei fotoni mentre subiscono la diffusione. Questo argomento è stato di primario interesse di ricerca per il team del professor Choi dell'IBS CMSD, che ha pubblicato molti lavori che combinano l'ottica adattiva basata su hardware e software per l'imaging dei tessuti. Parte del loro lavoro è stato dimostrato in nuovi tipi di microscopi in grado di vedere attraverso mezzi di diffusione con elevata opacità, come i crani di topo, nonché di eseguire immagini 3D profonde dei tessuti.

Tuttavia, le cose diventano molto più complesse quando la non linearità entra nell’equazione. Se un mezzo di diffusione genera segnali non lineari, non può più essere rappresentato semplicemente da una matrice lineare, poiché viene violato il principio di sovrapposizione. Inoltre, misurare le caratteristiche input-output non lineari diventa una sfida ardua, che pone una fase impegnativa per la ricerca.

Svelare il mistero dei mezzi di diffusione non lineare

Questa volta, il team del professor Choi ha ottenuto un altro progresso scientifico. Sono stati i primi a scoprire che la risposta ottica input-output di un mezzo di diffusione non lineare può essere definita da un tensore del terzo ordine*, anziché da una matrice lineare.

*Il tensore del terzo ordine è un oggetto matematico utilizzato per rappresentare le relazioni tra tre insiemi di dati. In termini semplici, è una serie di numeri disposti in una struttura tridimensionale. I tensori sono generalizzazioni di scalari (tensori di 0° ordine), vettori (tensori di 1° ordine) e matrici (tensori di 2° ordine) e sono comunemente usati in vari campi della matematica, fisica e ingegneria per descrivere quantità fisiche e le loro relazioni.

Per dimostrarlo, il team ha utilizzato un mezzo composto da nanoparticelle di titanato di bario, che generano segnali di generazione di seconda armonica (SHG) non lineari a causa delle proprietà non centrosimmetriche intrinseche del titanato di bario. Questi segnali SHG emergono come un quadrato del campo elettrico in ingresso attraverso il processo di seconda armonica, causando termini incrociati quando più canali di ingresso vengono attivati ​​simultaneamente, interrompendo il principio di sovrapposizione lineare. I ricercatori hanno ideato e convalidato sperimentalmente un nuovo quadro teorico che coinvolge questi termini incrociati in un tensore del terzo ordine.

Per illustrare ciò, i ricercatori hanno misurato i termini incrociati isolando la differenza tra i campi elettrici di uscita prodotti quando due canali di ingresso venivano attivati ​​simultaneamente e quando ciascun canale veniva attivato separatamente. Ciò ha richiesto ulteriori 1.176 misurazioni impostate dalle possibili combinazioni di due canali di ingresso indipendenti, anche con soli 49 canali di ingresso.