Naučnici su rešili decenijama dugu misteriju o tome da li svetlost može biti efikasno zarobljena u 3D šumi mikroskopskih čestica.
Koristeći novu metodu za skupljanje ogromnih količina u modelu interakcije čestica, tim fizičara u SAD i Francuskoj otkrio je uslove pod kojima se talas svetlosti može zaustaviti zbog nedostataka u pravoj vrsti materijala.
Poznata kao Andersonova lokalizacija, prema američkom teoretskom fizičaru Filipu V. Andersonu, elektroni mogu postati zarobljeni (lokalizovani) u neuređenim materijalima sa nasumično raspoređenim abnormalnostima. Njegov predlog iz 1958. bio je značajan momenat u savremenoj fizici kondenzovane materije, primenjiv u kvantnoj i klasičnoj mehanici.
Tamo gde bismo u klasičnom carstvu zamislili česticu nalik tačkici koja jednostavno skače poput flipera kroz lavirint dok je raspršena defektima, kvantni identitet čestice nalik talasu postaje sve neuredniji, primoravajući elektron da se zaustavi i okreće materijal u izolator.
Čini se da se slična stvar dešava kada se elektromagnetni talasi koji čine svetlost rasipaju kroz neke supstance, barem u jednoj ili dve dimenzije. Međutim, do sada niko nije uspeo da shvati da li fizika postoji u tri dimenzije (ne zbog nedostatka pokušaja).
Konačno, napredak u softveru za proračun i numeričke simulacije znači da je misterija rešena.
„Nismo mogli da simuliramo velike, trodimenzionalne sisteme jer nemamo dovoljno računarske snage i memorije“, kaže primenjeni fizičar i inženjer elektrotehnike Hui Cao sa Univerziteta Jejl u Konektikatu.
„Ljudi su pokušavali različite numeričke metode. Ali nije bilo moguće simulirati tako veliki sistem da bi se zaista pokazalo da li postoji lokalizacija ili ne.“
Koristeći novi alat pod nazivom FDTD Softvare Tidi3D, Cao i njene kolege su uspele da izvrše proračune za koje bi obično trebalo danima za samo 30 minuta, ubrzavajući proces simulacije. Alat koristi optimizovanu verziju algoritma vremenskog domena konačnih razlika (FDTD), koji deli prostore u mreže i rešava jednačine u svakoj tački mreže.
Softver je takođe omogućio da se testiraju različite sistemske konfiguracije, veličine i strukturni parametri. Rezultati numeričke simulacije koje su dobili istraživači pokazali su se bez artefakata koji su bili problematični u prethodnim studijama.
Istraživači su otkrili da svetlost ne može biti lokalizovana u 3D u dielektričnim (izolacionim) materijalima kao što su staklo ili silicijum, što može objasniti zašto je ovo toliko dugo zbunjivalo naučnike. Međutim, postojali su jasni numerički dokazi 3D Andersonove lokalizacije u nasumičnom pakovanju provodnih metalnih sfera.
„Kada smo videli Andersonovu lokalizaciju u numeričkoj simulaciji, bili smo oduševljeni“, kaže Cao. „Bilo je neverovatno, s obzirom na to da je naučna zajednica tako dugo tragala.
Rezultati daju naučnicima bolju predstavu o tome gde da usmere svoja istraživanja u budućnosti i bolje razumeju kako se 3D Andersonova lokalizacija može, a možda i ne dešava u različitim vrstama materijala.
Deo tog istraživačkog napora će težiti da se efekat posmatra eksperimentalno, dokaz koji je do sada ostao „tvrdoglavo neuhvatljiv“ naučnicima. Cao i njegove kolege su predložili jedan mogući eksperiment za koji kažu da bi izbegao prošle eksperimentalne zamke, i za koji se nadaju da „pruža signalni znak Andersonove lokalizacije“.
Dalje, neke od oblasti u kojima otkriće može biti značajno uključuju razvoj optičkih senzora i izgradnju sistema za konverziju i skladištenje energije. Za sada, međutim, znamo da Andersonova lokalizacija može da funkcioniše u tri dimenzije, nekih 65 godina nakon što je prvi put zamišljena.
„Trodimenzionalno ograničenje svetlosti u poroznim metalima može poboljšati optičke nelinearnosti, interakcije svetlosti i materije i kontrolisati nasumično laserstvo, kao i ciljano taloženje energije“, kaže Cao. „Tako da očekujemo da bi moglo biti mnogo prijava.“
