Los científicos han resuelto un misterio de décadas sobre si la luz puede quedar atrapada de manera efectiva en un bosque 3D de partículas microscópicas.
Usando un nuevo método para triturar grandes cantidades en un modelo de interacciones de partículas, un equipo de físicos en los EE. UU. y Francia ha revelado las condiciones bajo las cuales un estallido de luz puede ser detenido por defectos en el tipo correcto de material.
conocido como Localización de andersonSiguiendo al físico teórico estadounidense Philip W. Anderson, los electrones pueden quedar atrapados (localizados) en materiales desordenados con distorsiones distribuidas aleatoriamente. Su propuesta en 1958 fue un momento importante en la física de la materia condensada contemporánea, ya que se aplicó tanto a la mecánica cuántica como a la mecánica clásica.
Mientras que en el mundo clásico imaginamos una partícula puntual simplemente rebotando como una bola de pinball a través de un laberinto a medida que se dispersa por defectos, la identidad cuántica de onda de la partícula se vuelve cada vez más caótica, obligando al electrón a detenerse y girar la materia. en un aislante.
Algo similar parece suceder porque las ondas electromagnéticas dan forma a la luz a través de algunos materiales, al menos en una o dos dimensiones. Hasta ahora, nadie ha sido capaz de decir si la física se adhiere a las tres dimensiones (no a través de falta de intento).
Finalmente, los avances en computación numérica y software de simulación han resuelto el rompecabezas.
«No hemos sido capaces de simular grandes sistemas 3D porque no tenemos suficiente poder de cómputo y memoria», dijo. Él dice El físico aplicado e ingeniero eléctrico Hui Cao, de la Universidad de Yale en Connecticut.
«La gente ha estado experimentando con diferentes métodos numéricos. Pero no fue posible simular un sistema tan grande para mostrar si hay localización o no».
usando una nueva herramienta llamada Software FDTD Tidy3DCao y sus colegas pudieron realizar cálculos que normalmente tomarían días en solo 30 minutos, lo que acelera el proceso de simulación. La herramienta utiliza una versión mejorada de El dominio del tiempo con diferencias finitas (FDTD), que divide los espacios en cuadrículas y resuelve ecuaciones en cada punto de la cuadrícula.
El software también hizo posible probar diferentes configuraciones, tamaños y parámetros de arquitectura del sistema. Los resultados de las simulaciones numéricas obtenidas por los investigadores mostraron que estaban libres de artefactos que eran un problema en el Estudios previos.
Lo que los investigadores encontraron es que la luz no se puede localizar en 3D en materiales dieléctricos (aislantes) como el vidrio o el silicio, lo que puede explicar por qué los científicos han estado desconcertados durante tanto tiempo. Sin embargo, hubo una clara evidencia numérica de la localización 3D de Anderson en empaques aleatorios de dominios metálicos conductores.
«Cuando vimos la localización de Anderson en la simulación numérica, nos emocionamos», Él dice cao. «Fue increíble, considerando que había habido una búsqueda tan larga por parte de la comunidad científica».
Los resultados brindan a los científicos una mejor idea de hacia dónde dirigir su investigación en el futuro y una mayor comprensión de cómo puede ocurrir la localización 3D de Anderson en diferentes tipos de materiales.
Parte de este esfuerzo de investigación buscará observar el efecto experimentalmente, evidencia que hasta ahora ha permanecido «obstinadamente esquiva» para los científicos. Tsao y sus colegas propusieron un posible experimento ellos dicen Evitarán las trampas del trabajo experimental anterior, que esperan que «brinde una señal reveladora de la localización de Anderson».
Además, algunas áreas donde el descubrimiento puede ser importante incluyen el desarrollo de sensores ópticos y la construcción de sistemas de conversión y almacenamiento de energía. En este momento, sabemos que la localización de Anderson puede funcionar en tres dimensiones, unos 65 años después de que se imaginara por primera vez.
«El confinamiento tridimensional de la luz en metales porosos puede mejorar la no linealidad óptica, las interacciones de la materia fotónica, el control aleatorio del láser y la deposición de energía dirigida». Él dice cao. «Así que esperamos que haya muchas aplicaciones».
Investigación publicada en física de la naturaleza.
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