Локализация посредством спектрально-зависимого рассеяния и переходов. (A) Локализация посредством рассеяния первого порядка: волны с разными волновыми числами k (разные цвета) подвергаются событиям рассеяния, которые зависят от спектрального разложения потенциала. (B) Спектр коррелированного беспорядка с ограниченной шириной полосы представляет собой решетки со случайными амплитудой и фазой. Ненулевые компоненты лежат в интервалах [ ±k 0 - ∆k/2, ± k 0 + ∆k/2]. (C) Процессы рассеяния, опосредованные одной спектральной компонентой k 0 [из ], с дисперсионной кривой β(k) = k 2 /2β, описывающей расстройку фаз. Синхронный переход первого рода: волна с волновым числом -k 0 /2 эффективно рассеивается до k 0/2, поскольку β(−k 0 /2) = β(k 0 /2). Синхронный переход второго рода имеет место, когда волна рассеивается от -k 0 до 0 и затем до k 0 . Промежуточное состояние при k = 0 называется виртуальным, поскольку оно рассогласовано по фазе с начальной волной β(−k0 ) , не равной β(0). При компоненте решетки ±k 0 синхронное рассеяние для волны, начинающейся с −0,75k 0 , отсутствует . Предоставлено: Научные достижения (2022 г.). DOI: 10.1126/sciadv.abn7769

До сих пор основной физический эффект считался слишком слабым, чтобы полностью остановить расширение волны. В своих недавних экспериментах физики обнаружили, что такая локализация света, тем не менее, возможна, демонстрируя сверхъестественную чувствительность распространения волн в широком диапазоне пространственных масштабов. Их открытие было недавно опубликовано в журнале Science Advances.

В 1958 году Фил Андерсон удивил международную научную общественность, предсказав, что электрический проводник (например, медь) может резко превратиться в изолятор (например, стекло), когда порядок атомарного кристалла достаточно потрясен. На жаргоне физиков такой «беспорядок» может приковать к себе свободно движущиеся электроны .вниз и, таким образом, предотвратить любые существенные электрические токи через материал. Это физическое явление, известное как «локализация Андерсона», может быть объяснено только современной квантовой механикой, где электроны рассматриваются не только как частицы, но и как волны. Как оказалось, этот эффект, за который Фил Андерсон получил долю Нобелевской премии по физике 1977 года, применим и к классическим условиям: беспорядок также может подавлять распространение звуковых волн или даже световых лучей.

Исследования профессоров физики Александра Шамейта и Мордехая Сегева посвящены свойствам света и его взаимодействию с материей. Недавно группа профессора Сегева сделала поразительное открытие: световые волны могут даже показывать индуцированную андерсоновскую локализацию, если беспорядок им практически не свойственен. Выходя далеко за рамки первоначальных соображений Фила Андерсона, этот новый тип беспорядка содержит исключительно пространственно-периодические распределения с определенными длинами волн.

«Наивно было бы ожидать, что только те волны, пространственное распределение которых каким-то образом соответствует масштабам длины беспорядка, могут быть затронуты им и потенциально испытать локализацию Андерсона», — объясняет Себастьян Вайдеманн, доктор философии студент Института физики в группе профессора Шамейта.

«Другие волны должны по существу распространяться так, как если бы вообще не было беспорядка», — продолжает доктор Марк Кремер, который также входит в группу профессора Шамейта.

Напротив, недавняя теоретическая работа группы Техниона показала, что на распространение волн может сильно повлиять даже такой «невидимый беспорядок».

«Когда световые волны могут многократно взаимодействовать с невидимым беспорядком, может возникнуть удивительно сильный эффект, который остановит все распространение света», — говорит доктор философии студент Алексей Дикопольцев из группы профессора Сегева описывает эффект.

В тесном сотрудничестве физики из Ростока и Израиля впервые демонстрируют новый механизм локализации. «С этой целью мы создали искусственные неупорядоченные материалы из километров оптического волокна. Наши оптические сети, устроенные сложным образом, имитируют пространственное распространение электронов в неупорядоченных материалах. Это позволило нам непосредственно наблюдать, как практически невидимые структуры могут успешно улавливать световые волны. », — объясняет Себастьян Вайдеманн, проводивший эксперименты вместе с доктором Марком Кремером.

Открытия представляют собой значительный прогресс в фундаментальных исследованиях распространения волн в неупорядоченных средах и потенциально прокладывают путь к новому поколению синтетических материалов, которые используют беспорядок для избирательного подавления токов; будь то свет, звук или даже электроны.