Lichtgolven kunnen worden bevroren in 3D-materialen, volgens een nieuwe simulatie: ScienceAlert

Wetenschappers hebben een decennia oud mysterie opgelost over de vraag of licht effectief gevangen kan worden in een 3D-woud van microscopische deeltjes.

Met behulp van een nieuwe methode om enorme hoeveelheden in een model van deeltjesinteracties te verwerken, heeft een team van natuurkundigen in de VS en Frankrijk de omstandigheden onthuld waaronder een uitbarsting van licht kan worden gestopt door defecten in het juiste soort materiaal.

bekend als Anderson-lokalisatieIn navolging van de Amerikaanse theoretisch natuurkundige Philip W. Anderson kunnen elektronen vast komen te zitten (gelokaliseerd) in ongeordende materialen met willekeurig verdeelde vervormingen. Zijn voorstel in 1958 was een belangrijk moment in de hedendaagse fysica van de gecondenseerde materie, aangezien het zowel in de kwantummechanica als in de klassieke mechanica werd toegepast.

Waar we ons in de klassieke wereld een puntachtig deeltje voorstellen dat simpelweg als een flipperkast door een doolhof stuitert terwijl het door defecten wordt verstrooid, wordt de golfachtige kwantumidentiteit van het deeltje steeds chaotischer, waardoor het elektron wordt gedwongen te stoppen en materie te laten draaien. tot een isolator.

Iets soortgelijks lijkt te gebeuren omdat elektromagnetische golven licht door sommige materialen heen vormen, althans in één of twee dimensies. Tot nu toe heeft niemand kunnen zeggen of de natuurkunde vasthoudt aan drie dimensies (niet door Gebrek aan proberen).

Ten slotte hebben vorderingen op het gebied van numerieke berekeningen en simulatiesoftware de puzzel opgelost.

“We hebben geen grote 3D-systemen kunnen simuleren omdat we niet genoeg rekenkracht en geheugen hebben”, zei hij. Hij zegt Toegepast natuurkundige en elektrotechnisch ingenieur Hui Cao, van Yale University in Connecticut.

“Mensen hebben verschillende numerieke methoden geprobeerd, maar het was niet mogelijk om zo’n groot systeem te simuleren om te laten zien of er lokalisatie is of niet.”

met behulp van een nieuwe tool genaamd FDTD Tidy3D-softwareCao en haar collega’s konden berekeningen die normaal gesproken dagen zouden duren in slechts 30 minuten uitvoeren, wat het simulatieproces versnelt. De tool maakt gebruik van een verbeterde versie van Het tijdsdomein met eindige verschillen (FDTD) algoritme, dat ruimten verdeelt in rasters en vergelijkingen op elk rasterpunt oplost.

De software maakte het ook mogelijk om verschillende systeemconfiguraties, afmetingen en architectuurparameters te testen. De resultaten van de numerieke simulaties verkregen door de onderzoekers toonden aan dat ze vrij waren van artefacten die een probleem vormden in de Eerdere studies.

Wat de onderzoekers ontdekten, is dat licht niet in 3D kan worden gelokaliseerd in diëlektrische (isolerende) materialen zoals glas of silicium, wat zou kunnen verklaren waarom wetenschappers zo lang verbijsterd zijn. Er was echter duidelijk numeriek bewijs van 3D Anderson-lokalisatie in willekeurige pakkingen van geleidende metalen domeinen.

“Toen we Anderson-lokalisatie in de numerieke simulatie zagen, waren we heel blij,” Hij zegt cao. “Het was ongelooflijk, gezien het feit dat er zo’n lange achtervolging door de wetenschappelijke gemeenschap was geweest.”

De resultaten geven wetenschappers een beter idee van waar ze hun onderzoek in de toekomst op kunnen richten, en een beter begrip van hoe Anderson 3D-lokalisatie kan voorkomen in verschillende soorten materialen.

Een deel van deze onderzoeksinspanning zal proberen het effect experimenteel waar te nemen, bewijs dat tot nu toe “koppig ongrijpbaar” is gebleven voor wetenschappers. Tsao en collega’s stelden een mogelijk experiment voor ze zeggen Ze zullen de valkuilen van eerder experimenteel werk vermijden, waarvan ze hopen dat het “een veelbetekenend teken zal zijn van Anderson-lokalisatie”.

Bovendien zijn enkele gebieden waar de ontdekking belangrijk kan zijn, de ontwikkeling van optische sensoren en de constructie van energieconversie- en opslagsystemen. Op dit moment weten we dat Anderson-lokalisatie in drie dimensies kan werken, zo’n 65 jaar nadat het voor het eerst werd bedacht.

“Driedimensionale opsluiting van licht in poreuze metalen kan optische niet-lineariteit, interacties tussen fotonische materie, willekeurige lasercontrole en gerichte energieafzetting verbeteren,” Hij zegt cao. “Dus we verwachten dat er veel aanmeldingen zullen zijn.”

Onderzoek gepubliceerd in natuur fysica.