با پیشرفتی چشمگیر در قابلیت محاسباتی، گروهی از پژوهشگران معمای چند دهه ای درباره اینکه آیا امواج نوری می توانند در میکرو یا نانو ذراتِ به طور تصادفی بسته بندی شده سه بعدی محبوس شوند، را حل کرده اند. این دستاوردی است که می تواند امکانات جدیدی برای لیزرها و فوتوکاتالیست ها در میان دیگر کاربردها آشکار کند.

الکترونهای درون یک ماده می توانند یا آزادانه حرکت کنند تا جریان را انتقال دهند یا محبوس شوند و مانند عایقها رفتار کنند. این امر به میزان نقص های ساختاری به طور تصادفی توزیع شده که ماده دارد، وابسته است. وقتی این دیدگاه که با عنوان جایگزیدگی اندرسون شناخته میشود در سال 1958 توسط فیلیپ اندرسون Philip W. Anderson پیشنهاد شد، معلوم شد که یک عامل تحول آفرین در فیزیک ماده چگال معاصر است. این نظریه به هر دو قلمرو کوانتوم و کلاسیک، شامل الکترونها، امواج اکوستیک، آب و گرانش گسترش یافت.

با این وجود، اینکه این اصل دقیقا چه طور در محبوس کردن یا جایگزیدگی امواج الکترومغناطیس در سه بعد نقش ایفا میکند، علی رغم 40 سال مطالعات گسترده، مبهم بوده است. پژوهشگران با هدایت پروفسور هوی کائو Hui Cao، سرانجام یک پاسخ معین درباره اینکه آیا نور می تواند در سه بعد جایگزیده شود ارائه کرده اند. این دستاورد می تواند دریچه های فراوانی را هم در پژوهش بنیادی و هم در کاربردهای عملی با استفاده از نور جایگزیده سه بعدی بگشاید. نتایج پژوهش در Nature Physics منتشر شده است.

جستجو برای جایگزیدگی اندرسون سه بعدی امواج الکترومغناطیسی، چندین دهه با تلاشها و شکست های فراوان به طول انجامیده است. چندین گزارش آزمایشگاهی از جایگزیدگی نور سه بعدی وجود داشت، اما همگی آنها به دلیل ساختارهای آزمایشگاهی یا پدیده های مشاهده شده ای که به اثرات فیزیکیِ به غیر از جایگزیدگی نسبت داده می شدند، به چالش کشیده شده اند.

این ناکامی ها به یک بحث مهیج منتهی شد که آیا در سیستمهای تصادفی سه بعدی هم جایگزیدگی اندرسون امواج الکترومغناطیسی وجود دارد یا خیر. چون بسیار دشوار است که برای دستیابی به نتایج قطعی، همه ساختارهای آزمایشگاهی را حذف کنیم، کائو و همکارانش به "بی ارزش بودن شبیه سازی عددی" متوسل شدند، همانطور که فیلیپ اندرسون آن را در سخنرانی جایزه نوبل 1977 خود به کار برد. اگرچه، اجرا کردن شبیه سازی های کامپیوتری جایگزیدگی اندرسون در سه بعد، مدتها چالش برانگیز بوده است.

کائو و جان مالون John C. Malone، پروفسور در زمینه فیزیک کاربردی و پروفسور در زمینه مهندسی برق و فیزیک گفتند: "ما نتوانستیم سیستمهای سه بعدی بزرگ را شبیه سازی کنیم، چون قدرت و حافظه محاسباتی کافی نداریم. دیگران در حال امتحان کردن روشهای محاسباتی مختلف بوده اند ولی ممکن نبود یک چنین سیستم بزرگی را شبیه سازی کنیم تا واقعا نشان دهیم که آیا جایگزیدگی وجود دارد یا خیر."

اما اکنون گروه کائو اخیرا با Flexcompute، شرکتی که پیشرفت غیر منتظره جدیدی در سرعت بخشیدن به راه حل های عددی تا چندین مرتبه بیشتر، با نرم افزار FDTD خود به نام Tidy3D داشته است، تیم تشکیل داده است.

کائو می گوید: "سرعت حل کردن عددی Flexcompute شگفت انگیز است. برخی شبیه سازی هایی که ما انتظار داریم ماه ها طول بکشد، در فقط 30 دقیقه انجام می شوند. این به ما اجازه می دهد تا بسیاری پیکربندی های تصادفی مختلف، ابعاد سیستم مختلف و پارامترهای ساختاری مختلفی را شبیه سازی کنیم تا دریابیم که آیا می توانیم به جایگزیدگی سه بعدی نور دست یابیم."

پژوهش آنها، بدون ساختارهایی که قبلا به داده های آزمایشگاهی آسیب رسانده اند، به این مباحثه طولانی درباره امکان جایگزیدگی نور در سه بعد با نتایج محاسباتی دقیق خاتمه می دهد. اولا آنها نشان دادند که غیر ممکن است نور در بسته های تصادفی سه بعدی از ذرات ساخته شده از مواد دی الکتریک مانند شیشه یا سیلیکون جایگزیده شود که ناکامی های مربوط به تلاشهای آزمایشگاهی بسیار در چندین دهه گذشته را توضیح می دهد. ثانیا، آنها مدرک بدون ابهامی از جایگزیدگی اندرسون امواج الکترومغناطیسی در بسته بندی های تصادفی از کره های فلزی را ارائه کردند.

کائو می گوید: "زمانی که ما جایگزیدگی اندرسون را در شبیه سازی عددی دیدیم، ذوق زده شدیم. با توجه به چنین پیگیری طولانی مدتی توسط جامعه علمی، این باور نکردنی بود."

سیستم های فلزی مدتها به دلیل جذب نورشان نادیده گرفته شده اند. اما حتی با در نظر گرفتن اتلاف انرژی فلزات متداول مانند آلومینیوم، نقره و مس، جایگزیدگی اندرسون به قوت خود باقی است.

"به طور شگفت آوری، اگرچه هدر رفت کوچک نبود، ما هنوز می توانیم شواهد جایگریدگی اندرسون را ببینیم. این بدان معنی است که این، یک اثر بسیار غالب و قوی است."

علاوه بر حل و فصل کردن بعضی از پرسشهای دیرینه، این پژوهش امکانات جدیدی را برای لیزرها و فوتوکاتالیستها آشکار می کند.

کائو می گوید: "محدودیت سه بعدی نور در فلزات متخلخل میتواند رفتارهای غیرخطی نوری و برهم کنش های نور-ماده را بهبود بخشیده و علاوه بر لیزرتابی تصادفی، انباشت انرژی هدف را نیز کنترل کند. بنابراین ما انتظار داریم کاربردهای بسیار زیادی وجود داشته باشد."

منبع:

With trapped waves, researchers resolve longstanding debate about localizing light in three dimensions

ترجمه خبر: بهناز ساربانها