新しいシミュレーションによると、光波は 3D マテリアル内で凍結される可能性があります: ScienceAlert

科学者たちは、微細な粒子の 3D フォレストに光を効果的に閉じ込めることができるかどうかについて、数十年来の謎を解決しました。

米国とフランスの物理学者チームは、粒子相互作用のモデルに膨大な量を加工する新しい方法を使用して、適切な種類の材料の欠陥によって光のバーストが止められる条件を明らかにした。

として知られている アンダーソンのローカリゼーションアメリカの理論物理学者フィリップ W. アンダーソンに従って、電子はランダムに分布した歪みを持つ無秩序な材料に閉じ込められる (局在化する) 可能性があります。 1958 年の彼の提案は、古典力学だけでなく量子力学にも適用されたため、現代の物性物理学において重要な瞬間となりました。

古典的な世界では、点状の粒子が欠陥によって散乱しながら迷路の中をピンボールのように跳ね返るだけであると想像されますが、粒子の波状の量子同一性はますます混沌とし、電子を停止させて物質を回転させます。絶縁体に入れます。

電磁波が、少なくとも 1 次元または 2 次元で、ある種の物質を通過する光を形作るために、同様のことが起こるようです。 これまで、物理学が 3 次元に固執しているかどうかを知ることはできませんでした。 努力不足）。

最後に、数値計算とシミュレーション ソフトウェアの進歩により、パズルが解決されました。

「十分な計算能力とメモリがないため、大規模な 3D システムをシミュレートできませんでした」と彼は言いました。 彼は言う。 コネチカット州イェール大学の応用物理学者で電気技師のホイ・カオ氏。

「人々はさまざまな数値手法を実験してきました。しかし、これほど大規模なシステムをシミュレートして、局在化があるかどうかを示すことはできませんでした。」

と呼ばれる新しいツールを使用して FDTD Tidy3D ソフトウェアCao 氏と同僚は、通常は数日かかる計算をわずか 30 分で実行できるようになり、シミュレーション プロセスがスピードアップしました。 このツールは改良版を使用します 有限差分のある時間領域 (FDTD) アルゴリズム。空間をグリッドに分割し、各グリッド点で方程式を解きます。

このソフトウェアにより、さまざまなシステム構成、サイズ、アーキテクチャ パラメータをテストすることも可能になりました。 研究者らによって得られた数値シミュレーションの結果は、実験で問題となるアーティファクトが存在しないことを示しました。 これまでの研究。

研究者らが発見したのは、光はガラスやシリコンなどの誘電体（絶縁体）材料では3Dで局在化できないということであり、これが科学者たちが長い間困惑してきた理由を説明している可能性がある。 しかし、導電性金属ドメインのランダムなパッキングにおける 3D アンダーソン局在化の明確な数値的証拠がありました。

「数値シミュレーションでアンダーソンの位置特定を見たとき、私たちは興奮しました。」 彼は言う。 曹。 「科学界がこれほど長い間追求してきたことを考えると、信じられないことだった。」

この結果により、科学者は将来的に研究をどこに向けるべきかについてより良いアイデアが得られ、アンダーソン 3D ローカリゼーションがさまざまな種類の材料でどのように発生するかについての理解を深めることができます。

この研究活動の一環として、科学者にとってこれまでのところ「頑固にとらえどころのない」証拠である効果を実験的に観察することが試みられる。 Tsao らは 1 つの可能性のある実験を提案しました 彼らが言う 彼らは、これまでの実験研究の落とし穴を回避し、それが「アンダーソンの局在化の明らかな兆候を提供する」ことを期待している。

さらに、この発見が重要となる可能性のあるいくつかの分野には、光センサーの開発、エネルギー変換および貯蔵システムの構築が含まれます。 最初に想像されてから約 65 年が経過した現在、アンダーソンのローカリゼーションが 3 次元でも機能することがわかっています。

「多孔質金属への光の三次元閉じ込めは、光学的非線形性、フォトニック物質相互作用、ランダムなレーザー制御、および目標を絞ったエネルギー付与を強化することができます。」 彼は言う。 曹。 「したがって、多くの応募があることが予想されます。」

に発表された研究 自然物理学。