Anderson -overgangen er en faseovergang, der forekommer i forstyrrede systemer, som indebærer et skift fra en diffusiv tilstand (dvs., hvor bølger eller partikler er spredt) til en lokaliseret tilstand, hvor de er fanget i specifikke regioner. Denne stat blev først undersøgt af fysikeren Philip W. Anderson, der undersøgte arrangementet af elektroner i forstyrrede faste stoffer, men alligevel blev det senere fundet at også gælde for udbredelsen af lys og andre bølger.
Forskere ved Missouri University of Science & Technology, Yale University og Grenoble Alpes University i Frankrig forsøgte for nylig at udforske Anderson -overgangen til lys (dvs. elektromagnetiske bølger) i 3D -forstyrrede systemer.
Deres papir, der er offentliggjort i Fysiske gennemgangsbreveskitserer simuleringen af lysbølge transport i et arrangement af perfekt-elektrisk ledende (PEC) sfærer, materialer, der reflekterer elektromagnetiske bølger.
“Dette papir bygger på vores tidligere publikation i Naturfysikder demonstrerede Anderson -lokalisering (AL) af lys i 3D tilfældige medier, men studerede ikke, hvordan overgangen fra diffusion til lokalisering udspiller sig, “fortalte Alexey Yamilov, første forfatter af papiret, til LektieForum.
“Tidligere undersøgelser af Anderson-overgang inkluderer model numeriske beregninger for elektroner i forstyrrede faste stoffer, vibrationer i mekaniske systemer samt eksperimenter med ultralyd og stofbølger i koldatomsystemer. De demonstrerede universaliteten af overgangen ved at fastslå, at visse mængder opfører sig Samme, uanset hvilken fysisk karakter af det studerede fysiske system. “
Baseret på deres tidligere forskning forsøgte Yamilov og hans kolleger, Hui Cao og Sergey Skipetrov, at demonstrere, at Anderson -overgangen for lys er nøjagtigt den samme som den, der blev observeret for andre typer bølger. For at gøre dette begyndte de først at afgøre, om krydset fra diffusion til lokalisering i mediet, de undersøgte, repræsenterer en ægte Anderson-overgang.
Derudover ønskede de at undersøge eksistensen af en kritisk frekvens, der adskiller de to regimer (dvs. diffusion og lokalisering), som omtales som en skarp mobilitetskant.
Endelig udforskede de, i hvilket omfang Anderson -overgangen udviser den universelle skaleringsadfærd, der er forudsagt af lokaliseringsteori, for i sidste ende at bestemme overgangens universalitet.
“Siden observation af AL for lys undgik forskere i næsten 40 år, gjorde vores naturfysikpapir disse spørgsmål meget relevant,” forklarede Skipetrov.
“Undersøgelse af Anderson -overgang præsenterer den samme grundlæggende vanskelighed som studiet af enhver faseovergang: den finder kun sted i et system med uendelig omfang, hvilket aldrig er tilfældet i eksperimenter eller numeriske simuleringer. I et system med begrænset størrelse, den pludselige overgang erstattes af en kontinuerlig crossover. “
For at overvinde de udfordringer, der blev stødt på i tidligere undersøgelser, der studerede faseovergange, anvendte forskerne en skalering til skalering af begrænset størrelse. Denne tilgang gjorde det muligt for dem at undersøge crossover mellem diffusion og lokalisering, når størrelsen på et 3D -system øges.
“Standardmetoder til statistisk fysik, der er udviklet til at studere faseovergange, giver mulighed for at bestemme overgangsparametre, der ville blive observeret i et uendeligt system, fra den opnåede størrelsesafhængighed,” sagde Yamilov.
“Selvom den er meget kraftfuld, kræver denne tilgang stadig at være i stand til at simulere lysspredning i prøver af stor (dog ikke uendelig) størrelse, som blev muliggjort af den revolutionære software Tidy3D, udviklet af FlexCompute, Inc.”
Ved hjælp af Tidy3D, en softwareplatform, der kan bruges til at simulere opførsel af elektromagnetiske bølger, begyndte forskerne at studere, hvordan transmission af lys varierer sammen med størrelsen på et 3D -metallisk system ved forskellige frekvenser i nærheden af Anderson -overgangspunktet.
I deres simuleringer sendte de lysimpulser gennem de metalliske strukturer og målte, i hvilket omfang lys gik igennem. Dette gjorde det muligt for dem at bestemme den nøjagtige frekvens, hvormed overgangen fra diffusion til lokalisering forekommer, hvilket er kendt som det kritiske punkt.
“På dette specielle punkt krydser transmissionskurver for forskellige systemstørrelser alle hinanden,” sagde Yamilov.
“Nøglen var selvfølgelig til at starte med et system, der udviser Anderson -lokalisering af lys, som vi rapporterede i vores tidligere publikation. Derefter ved hjælp af moderne beregningsmetoder simulerede vi store nok systemer til definitivt at vise, at dette er en sand fase Overgang, der ligner hvad der sker med elektroner i forstyrrede metaller. “
Simuleringerne udført af Yamilov og hans kolleger viste, at overgangen til lys i 3D -forstyrrede systemer, de simulerede, hører til den samme universalitetsklasse som andre Anderson -overgange. Dette betyder, at selv hvis de er mere komplekse end elektroniske bølger, udviser elektromagnetiske bølger den samme grundlæggende opførsel, når de bliver lokaliserede.
“Indtil for nylig kunne 3D -systemer med størrelse, der er tilstrækkelige til at observere (den) af lys og systematisk studere det, ikke simuleres på grund af beregningsbegrænsninger,” sagde Yamilov.
“De seneste fremskridt inden for en endelig forskel Time Domain (FDTD) algoritmer, banebrydende af FlexCompute Inc, endelig aktiveret sådanne simuleringer. Nu kan dette gøres af enhver! Faktisk er vores kode åbent tilgængelig for offentligheden og FlexCompute Inc har tilbudt adgang til Enhver til at undersøge vores resultater gratis. “
Symmetri er et grundlæggende koncept i fysik, hvor utallige tidligere undersøgelser viser, at nogle specifikke egenskaber ved fysiske systemer direkte følger fra deres symmetrier, såsom tid-reversering eller spin-rotationssymmetrier, og således kan let forudsiges. Resultaterne indsamlet af Yamilov og hans kolleger tilbyder et yderligere, slående eksempel på vigtigheden af symmetrier.
“Det faktum, at det betragtede optiske system har den tid-reverseringssymmetri, og at den eneste ødelagte symmetri er den translationelle (på grund af lidelse), pålægger Anderson-overgangen at falde i den såkaldte ortogonale universalitetsklasse, det samme som for elektroner i Forstyrrede metaller eller vibrationer i faste stoffer, “forklarede Skipetrov.
“Mere præcist førte vores kvantitative analyse af skaleringsadfærden i nærheden af det kritiske punkt til det første skøn over den kritiske eksponent. og andre bølgefænomener, f.eks. Elektroner eller lyd i forstyrrede systemer. “
Denne nylige undersøgelse kunne snart åbne nye muligheder for forskning med fokus på kontrol af lys i 3D. Evnen til at begrænse lys i tilfældige strukturer, som demonstreret i holdets simuleringer, kunne for eksempel muliggøre udvikling af nye teknologier, herunder optiske enheder, sensorer og lasere, som kunne være baseret på nanoporøse metaller.
“Den mest presserende retning er eksperimentel verifikation af Anderson -lokalisering af lys i 3D -metalliske systemer, men optisk absorption af metaller udgør en udfordring,” tilføjede Cao.
“Flytning til næsten IR- og mikrobølgefrekvenser vil reducere absorptionen. Vi undersøger at udvide den numeriske analyse til systemer med kontrolleret absorption for at forstå, hvordan det påvirker overgangen. Denne broer vores idealiserede simuleringer med reelle materialer og kan guide eksperimentelt design.”
I deres næste studier planlægger forskerne at fortsætte med at undersøge Anderson -lokaliseringen af lys i 3D -metalliske systemer. De planlægger også at udforske denne overgangs virkelige verdensapplikationer, der specifikt fokuserer på, hvordan lokaliseringen af lys i nanoporøse metaller kunne udnyttes til at forbedre lysstofraktioner, hvilket kan fremme fotokatalysatorer og sensing-enheder.