Предоставлено: Йельский университет.

Электроны внутри материала могут либо свободно двигаться, проводя ток, либо попадать в ловушку и действовать как изоляторы. Это зависит от количества случайно распределенных дефектов материала. Когда эта концепция, известная как локализация Андерсона, была предложена в 1958 году Филипом У. Андерсоном, она изменила правила игры в современной физике конденсированного состояния. Теория распространялась как на квантовую, так и на классическую области, включая электроны, акустические волны, воду и гравитацию.

Однако, как именно этот принцип проявляется в улавливании или локализации электромагнитных волн в трех измерениях, было неясно, несмотря на 40 лет обширных исследований. Под руководством профессора Хуэй Цао исследователи наконец-то дали четкий ответ на вопрос, можно ли локализовать свет в трех измерениях. Это открытие может открыть широкий спектр возможностей как в фундаментальных исследованиях, так и в практических приложениях с использованием локализованного 3D-света. Результаты опубликованы в Nature Physics.

Поиски трехмерной локализации Андерсона электромагнитных волн продолжались несколько десятилетий с многочисленными попытками и неудачами. Было несколько экспериментальных отчетов о локализации трехмерного света, но все они были подвергнуты сомнению из-за экспериментальных артефактов или наблюдаемых явлений были приписаны физическим эффектам, отличным от локализации.

Эти неудачи привели к интенсивным дебатам о том, существует ли андерсоновская локализация электромагнитных волн вообще в трехмерных случайных системах. Поскольку чрезвычайно трудно устранить все экспериментальные артефакты, чтобы получить убедительные результаты, Цао и ее коллеги прибегли к «уничижению численного моделирования», как выразился Филип У. Андерсон в своей лекции о Нобелевской премии 1977 года. Однако запуск компьютерного моделирования локализации Андерсона в трех измерениях уже давно оказался сложной задачей.

«Мы не могли смоделировать большие трехмерные системы, потому что у нас недостаточно вычислительной мощности и памяти», — сказал Цао, профессор прикладной физики Джона С. Мэлоуна и профессор электротехники и физики. «И люди пробовали различные численные методы. Но невозможно было смоделировать такую большую систему, чтобы действительно показать, есть ли локализация или нет».

Но затем команда Цао недавно объединилась с Flexcompute, компанией, которая недавно совершила прорыв в ускорении численных решений на порядки с помощью своего программного обеспечения FDTD Tidy3D.

«Удивительно, как быстро работает численный решатель Flexcompute, — сказала она. «Некоторые симуляции, которые, как мы ожидаем, займут месяцы, выполняются всего за 30 минут. Это позволяет нам моделировать множество различных случайных конфигураций, различных размеров системы и различных структурных параметров, чтобы увидеть, можем ли мы получить трехмерную локализацию света».

Цао собрала международную команду, в которую вошли ее давний сотрудник профессор Алексей Ямилов из Университета науки и технологий штата Миссури и доктор Сергей Скипетров из Университета Гренобль-Альпы во Франции. Они тесно сотрудничали с профессором Цзунфу Ю из Университета Висконсина, доктором Тайлером Хьюзом и доктором Момчилом Минковым из Flexcompute.

Свободное от всех артефактов, которые ранее искажали экспериментальные данные, их исследование закрывает долгие дебаты о возможности локализации света в трех измерениях точными числовыми результатами. Во-первых, они показали, что невозможно локализовать свет в трехмерных случайных агрегатах частиц, состоящих из диэлектрических материалов, таких как стекло или кремний, что объяснило неудачи интенсивных экспериментальных усилий в последние несколько десятилетий. Во-вторых, они представили недвусмысленные доказательства андерсоновской локализации электромагнитных волн в случайных упаковках металлических сфер.

«Когда мы увидели локализацию Андерсона в численном моделировании, мы были в восторге», — сказал Цао. «Это было невероятно, учитывая, что научное сообщество так долго преследовало эту цель».

Металлические системы долгое время игнорировались из-за их поглощения света. Но даже с учетом утраты обычных металлов, таких как алюминий, серебро и медь, локализация Андерсона сохраняется.

«Удивительно, но даже несмотря на то, что потери были немалыми, мы все еще можем видеть доказательства локализации Андерсона. Это означает, что это очень надежный и сильный эффект».

Помимо решения некоторых давних вопросов, исследование открывает новые возможности для лазеров и фотокатализаторов.

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