Согласно новому моделированию, волны света могут быть «заморожены» в 3D-материалах

Ученые решили многолетнюю загадку, можно ли эффективно уловить свет в трехмерном лесу микроскопических частиц.

Используя новый метод для обработки огромных сумм в модели взаимодействия частиц, команда физиков в США и Франции выявили условия, при которых волна света может быть остановлена ​​из-за дефектов в нужном материале.

Известная как локализация Андерсона в честь американского физика-теоретика Филипа У. Андерсона. , электроны могут быть захвачены (локализованы) в неупорядоченных материалах со случайно распределенными аномалиями. Его предложение в 1958 году стало важным моментом в современной физике конденсированных сред, применимым как к квантовой, так и к классической механике.

Там, где в классической сфере мы могли бы представить себе точечную частицу, просто подпрыгивающую, как пинбол. сквозь лабиринт, рассеянный дефектами, волнообразная квантовая идентичность частицы становится все более запутанной, заставляя электрон останавливаться и превращая материал в изолятор.

Похоже, что происходит, когда электромагнитные волны, составляющие свет, рассеиваются через некоторые вещества, по крайней мере, в одном или двух измерениях. Однако до сих пор никто не мог выяснить, верна ли физика в трех измерениях (не потому, что не пытался).

Наконец, достижения в программном обеспечении для расчетов и численном моделировании означают, что загадка раскрыта. была решена.

«Мы не могли смоделировать большие трехмерные системы, потому что у нас недостаточно вычислительной мощности и памяти», – говорит физик-прикладник и инженер-электрик Хуэй Цао из Йельского университета в Коннектикуте.

«Люди пробовали различные численные методы. Но было невозможно смоделировать такую ​​большую систему, чтобы действительно показать, есть ли локализация или нет.»

Использование нового инструмента под названием FDTD Программное обеспечение Tidy3D, Цао и ее коллеги смогли выполнить расчеты, на которые обычно уходят дни, всего за 30 минут, что ускорило процесс моделирования. Инструмент использует оптимизированную версию алгоритма конечной разности во временной области (FDTD), который разбивает пространство на сетки и решает уравнения в каждой точке сетки.

Программное обеспечение также позволяло использовать различные конфигурации системы, размеры, и структурные параметры для всех быть проверены. Результаты численного моделирования, полученные исследователями, продемонстрировали отсутствие артефактов, которые были проблематичными в предыдущих исследованиях.

Исследователи обнаружили, что свет не может быть локализован в 3D в диэлектрике (изоляторе). таких материалов, как стекло или кремний, что может объяснить, почему это так долго озадачивало ученых. Однако были четкие численные доказательства трехмерной локализации Андерсона в случайных упаковках проводящих металлических сфер.

«Когда мы увидели локализацию Андерсона в численном моделировании, мы были в восторге», — говорит Цао. «Это было невероятно, учитывая, что научное сообщество так долго искало решения».

Результаты дают ученым лучшее представление о том, куда направить свои исследования в будущем, и лучшее понимание того, как Трехмерная локализация Андерсона может происходить, а может и не возникать в разных типах материалов.

Часть этих исследовательских усилий будет направлена ​​на экспериментальное наблюдение эффекта, доказательства, которые до сих пор оставались «упорно неуловимыми» для ученых. Цао и его коллеги предложили один возможный эксперимент, который, по их словам, позволит избежать прошлых экспериментальных ловушек и который, как они надеются, «предоставляет явный признак локализации Андерсона».

В дальнейшем некоторые области, в которых открытие может иметь важное значение, включая разработку оптических датчиков и создание систем преобразования и хранения энергии. Однако на данный момент мы знаем, что локализация Андерсона может работать в трех измерениях, примерно через 65 лет после того, как она была впервые представлена.

«Трехмерное удержание света в пористых металлах может усилить оптическую нелинейность, взаимодействие света и вещества. , а также контролировать случайную генерацию, а также целенаправленное выделение энергии», — говорит Цао. «Поэтому мы ожидаем, что может быть много применений».

Исследование опубликовано в Nature Physics.