В области оптики свет — это гораздо больше, чем просто источник освещения. Это мощный инструмент для понимания Вселенной, быстрое средство связи и потенциальный источник энергии. Однако свет — это еще и загадка, поведение которой иногда не поддается нашему интуитивному пониманию. Одна из таких загадок, которая озадачивала ученых на протяжении десятилетий, касается возможности улавливания света в трехмерных материалах — явление, известное как локализация Андерсона.
На этот вопрос, который долгое время обсуждался в научном сообществе, недавно ответила международная группа исследователей. Используя передовое численное моделирование, им удалось продемонстрировать, что свет действительно может быть локализован в трехмерных материалах, но только при определенных условиях. Их работа опубликована в журнале .
Важность локализации Андерсона
Рассматриваемое явление известно как локализация Андерсона, названная в честь американского физика-теоретика Филипа В. Андерсона. Согласно этой концепции, электроны могут быть захвачены (локализованы) в неупорядоченных материалах со случайно распределенными аномалиями. Предложенная в 1958 году, эта концепция стала значительным поворотным пунктом в современной физике конденсированного состояния вещества, применимая как к квантовой механике, так и к классической механике.
До сих пор никто не мог определить, применима ли физика локализации Андерсона в трех измерениях. Цао, профессор прикладной физики и электротехники, объясняет в пресс-релизе: «Мы не могли моделировать большие трехмерные системы, потому что у нас не было достаточной вычислительной мощности и памяти«.
Благодаря достижениям в области компьютерных программ и численного моделирования, загадка наконец-то была разгадана. Исследовательская группа использовала новый инструмент под названием FDTD Software Tidy3D от компании Flexcompute. Это значительно ускорило процесс моделирования.
Цао отмечает: «Просто невероятно, насколько быстро работает численный анализатор Flexcompute. Некоторые моделирования, которые, как мы думали, займут несколько дней, могут быть выполнены всего за 30 минут. Это позволяет нам моделировать множество случайных конфигураций, с различными размерами системы и различными структурными параметрами, чтобы определить, сможем ли мы получить трехмерную локализацию света».
Локализация света с помощью дефектов материала
В своем исследовании ученые сначала изучили возможность трехмерной локализации света в диэлектрических материалах, которые являются электрическими изоляторами, такими как стекло или кремний. Эти материалы широко используются в различных технологиях и приложениях. Однако результаты численного моделирования показали, что свет не может быть локализован в трехмерном пространстве в этих типах материалов. Это означает, что свет продолжает распространяться через эти материалы, не задерживаясь.
Исследовательская группа получила другие результаты, когда изучала проводящие металлические сферы. Используя численное моделирование, исследователи нашли четкие доказательства того, что свет может быть локализован в трехмерном пространстве в случайных наборах этих сфер. Другими словами, вместо того чтобы распространяться через сферы, свет оказывается в ловушке и остается в небольшой области пространства.
Эти результаты важны, потому что они дают ученым лучшее представление о направлении будущих исследований. Теперь они лучше понимают, как трехмерная локализация Андерсона может происходить или не происходить в различных типах материалов.
Будущие последствия
В долгосрочной перспективе это открытие может иметь значительные последствия для разработки оптических датчиков, а также для создания систем преобразования и хранения энергии. Цао объясняет: «Трехмерное удержание света в пористых металлах может улучшить оптическую нелинейность, взаимодействие света и вещества и контролировать случайную генерацию, а также целенаправленное выделение энергии«.
Решение этой загадки, длившейся десятилетиями, открывает новые перспективы для фундаментальных исследований и практических приложений с использованием трехмерного локализованного света. Это решающий шаг вперед в нашем понимании физики света и его взаимодействия с веществом.
Последствия этого открытия огромны: от совершенствования существующих оптических технологий до создания новых методов манипулирования и управления светом. Это исследование также может привести к достижениям в таких различных областях, как энергетика, медицина и вычислительная техника.