Les scientifiques ont résolu un mystère vieux de plusieurs décennies quant à savoir si la lumière peut être efficacement piégée dans une forêt 3D de particules microscopiques.

En utilisant une nouvelle méthode pour broyer d’énormes quantités dans un modèle d’interactions de particules, une équipe de physiciens aux États-Unis et en France a révélé les conditions dans lesquelles un éclat de lumière peut être arrêté par des défauts dans le bon type de matériau.

connu comme Localisation d’AndersonSelon le physicien théoricien américain Philip W. Anderson, les électrons peuvent être piégés (localisés) dans des matériaux désordonnés avec des distorsions distribuées de manière aléatoire. Sa proposition en 1958 a été un moment important dans la physique contemporaine de la matière condensée, car elle a été appliquée à la mécanique quantique ainsi qu’à la mécanique classique.

Alors que dans le monde classique, nous imaginons une particule ponctuelle rebondissant simplement comme un flipper à travers un labyrinthe alors qu’elle est dispersée par des défauts, l’identité quantique ondulatoire de la particule devient de plus en plus chaotique, forçant l’électron à s’arrêter et à faire tourner la matière. dans un isolant.

Quelque chose de similaire semble se produire parce que les ondes électromagnétiques façonnent la lumière à travers certains matériaux, au moins dans une ou deux dimensions. Jusqu’à présent, personne n’a été en mesure de dire si la physique s’en tient à trois dimensions (pas par Manque d’essai).

Enfin, les progrès du calcul numérique et des logiciels de simulation ont résolu l’énigme.

« Nous n’avons pas été en mesure de simuler de grands systèmes 3D car nous n’avons pas assez de puissance de calcul et de mémoire », a-t-il déclaré. Il dit Physicien appliqué et ingénieur électricien Hui Cao, de l’Université de Yale dans le Connecticut.

« Les gens ont essayé différentes méthodes numériques. Mais il n’était pas possible de simuler un système aussi vaste pour montrer s’il y a localisation ou non. »

à l’aide d’un nouvel outil appelé Logiciel FDTD Tidy3DCao et ses collègues ont pu effectuer des calculs qui prendraient normalement des jours en seulement 30 minutes, ce qui accélère le processus de simulation. L’outil utilise une version améliorée de Le domaine temporel aux différences finies (FDTD), qui divise les espaces en grilles et résout les équations à chaque point de la grille.

Le logiciel a également permis de tester différentes configurations, tailles et paramètres d’architecture du système. Les résultats des simulations numériques obtenues par les chercheurs ont montré qu’ils étaient exempts d’artefacts qui posaient problème dans le les études precedentes.

Ce que les chercheurs ont découvert, c’est que la lumière ne peut pas être localisée en 3D dans des matériaux diélectriques (isolants) tels que le verre ou le silicium, ce qui peut expliquer pourquoi les scientifiques ont été déconcertés pendant si longtemps. Cependant, il y avait des preuves numériques claires de la localisation d’Anderson 3D dans des emballages aléatoires de domaines métalliques conducteurs.

« Lorsque nous avons vu la localisation d’Anderson dans la simulation numérique, nous avons été ravis », Il dit cao. « C’était incroyable, étant donné qu’il y avait eu une si longue poursuite par la communauté scientifique. »

Les résultats donnent aux scientifiques une meilleure idée de l’endroit où diriger leurs recherches à l’avenir et une meilleure compréhension de la façon dont la localisation 3D d’Anderson peut se produire dans différents types de matériaux.

Une partie de cet effort de recherche cherchera à observer l’effet de manière expérimentale, une preuve qui est jusqu’à présent restée « obstinément insaisissable » pour les scientifiques. Tsao et ses collègues ont proposé une expérience possible ils disent Ils éviteront les pièges des travaux expérimentaux antérieurs, qui, espèrent-ils, « fourniront un signe révélateur de la localisation d’Anderson ».

En outre, certains domaines où la découverte peut être importante comprennent le développement de capteurs optiques et la construction de systèmes de conversion et de stockage d’énergie. À l’heure actuelle, nous savons que la localisation d’Anderson peut fonctionner en trois dimensions, quelque 65 ans après avoir été imaginée pour la première fois.

« Le confinement tridimensionnel de la lumière dans les métaux poreux peut améliorer la non-linéarité optique, les interactions photonique-matière, le contrôle laser aléatoire ainsi que le dépôt d’énergie ciblé », Il dit cao. « Nous nous attendons donc à ce qu’il y ait beaucoup de candidatures. »

Recherche publiée dans physique de la nature.