Вчені розгадали десятирічну таємницю про те, чи можна світло ефективно затримувати в 3D лісі мікроскопічних частинок.
Використовуючи новий метод аналізу величезних сум у моделі взаємодії частинок, команда фізиків із США та Франції виявила умови, за яких хвиля світла може бути зупинена через дефекти в правильному матеріалі.
Відома як локалізація Андерсона , на честь американського фізика-теоретика Філіпа В. Андерсона, електрони можуть захоплюватися (локалізуватися) у невпорядкованих матеріалах із випадково розподіленими аномаліями. Його пропозиція в 1958 році стала визначним моментом у сучасній фізиці конденсованого середовища, застосовуючи його як у квантовій, так і в класичній механіці.
У той час як у класичному царстві ми могли б уявити точкову частинку, яка просто підстрибує, як пінбольний м’яч, крізь лабіринт, розсіяна дефектами, хвилеподібна квантова ідентичність частинки стає дедалі безладнішою, змушуючи електрон зупинятися й обертатися. матеріал в ізолятор.
Здається, подібне відбувається, коли електромагнітні хвилі, що утворюють світло, розсіюються через деякі речовини, принаймні в одному чи двох вимірах. Однак досі ніхто не міг з’ясувати, чи фізика справедлива в трьох вимірах (не через відсутність спроб ).
Нарешті, прогрес у програмному забезпеченні для розрахунків і чисельному моделюванні означав, що таємницю було розгадано.
«Ми не могли змоделювати великі тривимірні системи, тому що у нас недостатньо обчислювальної потужності та пам’яті», — каже прикладний фізик та інженер-електрик Хуей Као з Єльського університету в Коннектикуті.
«Люди пробували різні чисельні методи. Але неможливо було змоделювати таку велику систему, щоб дійсно показати, чи є локалізація чи ні».
Використовуючи новий інструмент під назвою FDTD Software Tidy3D , Цао та її колеги змогли провести обчислення, які зазвичай тривали кілька днів, лише за 30 хвилин, що прискорило процес моделювання. Інструмент використовує оптимізовану версію алгоритму кінцево-різницевої часової області (FDTD), який розбиває простори на сітки та розв’язує рівняння в кожній точці сітки.
Програмне забезпечення також уможливило тестування різних системних конфігурацій, розмірів і структурних параметрів. Було показано, що результати чисельного моделювання, отримані дослідниками, не містять артефактів, які були проблематичними в попередніх дослідженнях .
Дослідники виявили, що світло не можна локалізувати в 3D в діелектричних (ізоляційних) матеріалах, таких як скло або кремній, що може пояснити, чому це так довго спантеличило вчених. Проте було чітке числове підтвердження тривимірної локалізації Андерсона у випадкових упаковках провідних металевих сфер.
«Коли ми побачили локалізацію Андерсона в чисельному моделюванні, ми були в захваті», — каже Цао. «Це було неймовірно, враховуючи, що наукова спільнота так довго шукала».
Результати дають вченим краще уявлення про те, куди спрямовувати свої дослідження в майбутньому, і краще розуміють, як 3D-локалізація Андерсона може і не може відбуватися в різних типах матеріалів.
Частина цих дослідницьких зусиль буде спрямована на експериментальне спостереження ефекту, докази якого досі залишалися «вперто невловимими» для вчених. Цао та його колеги запропонували один можливий експеримент, який, за їхніми словами , дозволить уникнути попередніх експериментальних пасток і який, як вони сподіваються, «забезпечить контрольну ознаку локалізації Андерсона».
Далі, деякі з сфер, де відкриття може бути значущим, включають розробку оптичних датчиків і створення систем перетворення та зберігання енергії.
На цю мить ми знаємо, що локалізація Андерсона може працювати в трьох вимірах приблизно через 65 років після того, як вона була вперше уявлена.
«Тривимірне обмеження світла в пористих металах може посилити оптичні нелінійності, взаємодію світло-матерія та контролювати випадкову генерацію, а також цілеспрямоване відкладення енергії», — каже Као. «Тож ми очікуємо, що заявок може бути багато».
Дослідження опубліковано в Nature Physics .