Simulace Andersonovy lokalizace. Kredit: Yale University.

Elektrony se mohou v materiálech volně pohybovat anebo mohou být polapeny a pak fungují jako izolátory. Záleží to na množství náhodně rozložených defektů v daném materiálu. To je v kostce Andersonova lokalizace, jejíž koncept navrhl v roce 1958 Phillip Anderson. Od té doby se tento koncept ukázal jako velmi užitečný jak v klasické fyzice tak i kvantové mechanice, ať už jde o elektrony, akustické vlny či gravitaci.

Hui Cao. Kredit: Yale University.

Pokud ale jde o elektromagnetické vlny, jejich chování v souvislosti s Andersonovou lokalizací tvrdošíjně odolávalo poznání, navzdory intenzivnímu výzkumu během 40 let. Úsilí fyziků poznamenalo mnoho selhání a problematických experimentálních výsledků. Jedním z hlavních důvodů bylo i extrémně náročné simulování Andersonovy lokalizace ve 3D materiálech. Nakonec to vedlo k diskuzím, zda pro elektromagnetické vlny ve 3D materiálech Andersonova lokalizace vůbec existuje.

Teď se zdá, že všechny pochyby smáznul tým odborníků, které vedla Hui Cao z americké Yale University. Díky dramatickému nárůstu dostupné výpočetní kapacity se jim povedlo v simulacích potvrdit, že elektromagnetické vlny mohou být „zmrazeny“ Andersonovou lokalizací ve 3D materiálu tvořeném náhodně uspořádanými mikro- či nanočásticemi.

Logo. Kredit: Yale University.

Na první pohled to možná nevypadá, ale jde o zásadní průlom, který by měl vést k řadě nových aplikací, včetně laserových technologií či fotokatalyzátorů.

Klíčové bylo, že se tým Caové spojil se společností Flexcompute, která nedávno dosáhla průlomu v urychlení numerických výpočtů o několik řádů, díky jejich aplikaci FDTD Software Tidy3D. Badatele až překvapilo, jak rychlé pak výpočty jsou. U některých simulací čekali, že budou trvat dny, ale zabralo to jen půl hodiny. Díky tomu mohli provést mnohem více simulací s různými parametry.

V rámci výzkumu vyloučili, že by bylo možné vyvolat Andersonovu lokalizaci elektromagnetických vln ve 3D materiálu, který by tvořily nevodivé částice, například ze skla nebo křemíku. To vysvětluje neúspěchy v dřívějších experimentech. Zároveň ale spolehlivě prokázali, že Andersonovy lokalizace světla lze dosáhnout ve 3D materiálu tvořeném náhodně uspořádanými částicemi kovu.

Kovové materiály byly přitom v této souvislosti dlouho opomíjeny, kvůli představě, že kovy elektromagnetické záření absorbují. Přesto to podle Caové a spol. funguje, včetně kovů jako je hliník, stříbro nebo měď, i když dochází ke ztrátám kvůli absorpci. Výsledná Andersonova lokalizace je stabilní a silná. S novými aplikacemi se teď roztrhne pytel.

Video: Hui Cao: Harnessing Disorder for Photonic Applications

Literatura

Yale 15. 6. 2023.

Nature Physics 15. 6. 2023.