Le onde luminose possono essere congelate in materiali 3D, secondo una nuova simulazione: ScienceAlert

Gli scienziati hanno risolto un mistero vecchio di decenni sul fatto che la luce possa essere effettivamente intrappolata in una foresta 3D di particelle microscopiche.

Usando un nuovo metodo per sgranocchiare enormi quantità in un modello di interazioni tra particelle, un team di fisici negli Stati Uniti e in Francia ha rivelato le condizioni in cui un lampo di luce può essere fermato da difetti nel giusto tipo di materiale.

conosciuto come Localizzazione AndersonSeguendo il fisico teorico americano Philip W. Anderson, gli elettroni possono rimanere intrappolati (localizzati) in materiali disordinati con distorsioni distribuite in modo casuale. La sua proposta nel 1958 è stata un momento importante nella fisica della materia condensata contemporanea, poiché è stata applicata alla meccanica quantistica e alla meccanica classica.

Laddove nel mondo classico immaginiamo una particella puntiforme che semplicemente rimbalza come un flipper attraverso un labirinto mentre viene dispersa dai difetti, l’identità quantistica ondulatoria della particella diventa sempre più caotica, costringendo l’elettrone a fermarsi e far girare la materia in un isolante.

Qualcosa di simile sembra accadere perché le onde elettromagnetiche modellano la luce attraverso alcuni materiali, almeno in una o due dimensioni. Fino ad ora, nessuno è stato in grado di dire se la fisica si attiene alle tre dimensioni (non attraverso Mancanza di tentativi).

Infine, i progressi nel calcolo numerico e nel software di simulazione hanno risolto il puzzle.

“Non siamo stati in grado di simulare grandi sistemi 3D perché non abbiamo abbastanza potenza di calcolo e memoria”, ha affermato. Lui dice Hui Cao, fisico applicato e ingegnere elettrico, della Yale University nel Connecticut.

“Le persone hanno sperimentato diversi metodi numerici. Ma non è stato possibile simulare un sistema così grande per mostrare se esiste o meno la localizzazione”.

utilizzando un nuovo strumento chiamato Software FDTD Tidy3DCao e i suoi colleghi sono stati in grado di eseguire calcoli che normalmente richiederebbero giorni in soli 30 minuti, il che accelera il processo di simulazione. Lo strumento utilizza una versione migliorata di Il dominio del tempo con differenze finite (FDTD), che divide gli spazi in griglie e risolve equazioni in ogni punto della griglia.

Il software ha anche permesso di testare diverse configurazioni di sistema, dimensioni e parametri di architettura. I risultati delle simulazioni numeriche ottenute dai ricercatori hanno mostrato che erano privi di artefatti che costituivano un problema nel Studi precedenti.

Ciò che i ricercatori hanno scoperto è che la luce non può essere localizzata in 3D in materiali dielettrici (isolanti) come il vetro o il silicio, il che potrebbe spiegare perché gli scienziati sono rimasti sconcertati per così tanto tempo. Tuttavia, c’era una chiara evidenza numerica della localizzazione 3D di Anderson in impacchi casuali di domini metallici conduttivi.

“Quando abbiamo visto la localizzazione di Anderson nella simulazione numerica, siamo rimasti entusiasti”, Lui dice cao. “È stato incredibile, considerando che c’era stata una ricerca così lunga da parte della comunità scientifica”.

I risultati danno agli scienziati un’idea migliore di dove dirigere la loro ricerca in futuro e una maggiore comprensione di come la localizzazione 3D di Anderson possa avvenire in diversi tipi di materiali.

Parte di questo sforzo di ricerca cercherà di osservare l’effetto sperimentalmente, prova che finora è rimasta “ostinatamente sfuggente” agli scienziati. Tsao e colleghi hanno proposto un possibile esperimento dicono Eviteranno le insidie ​​del precedente lavoro sperimentale, che sperano “fornisca un segno rivelatore della localizzazione di Anderson”.

Inoltre, alcune aree in cui la scoperta potrebbe essere importante includono lo sviluppo di sensori ottici e la costruzione di sistemi di conversione e immagazzinamento dell’energia. In questo momento, sappiamo che la localizzazione di Anderson può funzionare in tre dimensioni, circa 65 anni dopo che è stata immaginata per la prima volta.

“Il confinamento tridimensionale della luce nei metalli porosi può migliorare la non linearità ottica, le interazioni fotonico-materia, il controllo laser casuale e la deposizione mirata di energia”, Lui dice cao. “Quindi ci aspettiamo che ci siano molte applicazioni”.

Ricerca pubblicata in fisica della natura.