Ondas de luz podem ser ‘congeladas’ em materiais 3D, de acordo com uma nova simulação: WebCuriosos

Os cientistas resolveram um mistério de décadas sobre se a luz pode ser efetivamente aprisionada em uma floresta 3D de partículas microscópicas.

Utilizando um novo método para calcular grandes somas num modelo de interacções de partículas, uma equipa de físicos nos EUA e em França revelou condições sob as quais uma onda de luz pode ser paralisada por defeitos no tipo certo de material.

Conhecido como Localização Andersonsegundo o físico teórico americano Philip W. Anderson, os elétrons podem ficar presos (localizados) em materiais desordenados com anormalidades distribuídas aleatoriamente. Sua proposta em 1958 foi um momento significativo na física contemporânea da matéria condensada, aplicando-se tanto à mecânica quântica quanto à mecânica clássica.

Enquanto no reino clássico imaginaríamos uma partícula pontual simplesmente saltando como uma bola de pinball através de um labirinto enquanto é espalhada por defeitos, a identidade quântica ondulatória de uma partícula torna-se cada vez mais confusa, forçando o elétron a parar e girando. o material em um isolante.

Algo semelhante parece acontecer quando as ondas eletromagnéticas que constituem a luz se espalham através de algumas substâncias, pelo menos em uma ou duas dimensões. Até agora, porém, ninguém foi capaz de descobrir se a física se sustenta em três dimensões (não através de falta de tentativa).

Finalmente, os avanços nos softwares de cálculo e nas simulações numéricas significaram que o mistério foi resolvido.

“Não poderíamos simular grandes sistemas tridimensionais porque não temos capacidade de computação e memória suficientes”, diz o físico aplicado e engenheiro elétrico Hui Cao, da Universidade de Yale em Connecticut.

“As pessoas têm tentado vários métodos numéricos. Mas não foi possível simular um sistema tão grande para realmente mostrar se há localização ou não.”

Usando uma nova ferramenta chamada Software FDTD Tidy3DCao e seus colegas conseguiram executar cálculos que normalmente levariam dias em apenas 30 minutos, acelerando o processo de simulação. A ferramenta usa uma versão otimizada do domínio do tempo de diferenças finitas Algoritmo (FDTD), que divide espaços em grades e resolve equações em cada ponto da grade.

O software também permitiu que diferentes configurações de sistema, tamanhos e parâmetros estruturais fossem testados. Os resultados da simulação numérica obtidos pelos pesquisadores mostraram-se livres dos artefatos que têm sido problemáticos no estudos anteriores.

O que os investigadores descobriram foi que a luz não podia ser localizada em 3D em materiais dielétricos (isolantes) como o vidro ou o silício, o que pode explicar porque é que isto tem intrigado os cientistas durante tanto tempo. No entanto, houve evidências numéricas claras da localização de Anderson 3D em empacotamentos aleatórios de esferas metálicas condutoras.

“Quando vimos a localização de Anderson na simulação numérica, ficamos emocionados”, diz Cao. “Foi incrível, considerando que houve uma busca tão longa por parte da comunidade científica”.

Os resultados dão aos cientistas uma ideia melhor de onde direcionar suas pesquisas no futuro e uma maior compreensão de como a localização 3D Anderson pode ou não ocorrer em diferentes tipos de materiais.

Parte desse esforço de investigação procurará observar o efeito experimentalmente, evidência que até agora permaneceu “teimosamente evasiva” para os cientistas. Cao e colegas propuseram uma experiência possível que eles dizem evitaria armadilhas experimentais anteriores e que eles esperam “fornecer um sinal revelador da localização de Anderson”.

Mais adiante, alguns dos campos onde a descoberta pode ser significativa incluem o desenvolvimento de sensores ópticos e a construção de sistemas de conversão e armazenamento de energia. Por enquanto, sabemos que a localização de Anderson pode funcionar em três dimensões, cerca de 65 anos depois de ter sido imaginada pela primeira vez.

“O confinamento tridimensional da luz em metais porosos pode melhorar as não linearidades ópticas, as interações luz-matéria e controlar o laser aleatório, bem como a deposição de energia direcionada,” diz Cao. “Portanto, esperamos que possa haver muitas aplicações.”

A pesquisa foi publicada em Física da Natureza.