به گزارش مجله خبری نگار،رسانایی در یک ماده به شدت به حرکت الکترونهای درون آن بستگی دارد. اگر الکترونها بتوانند آزادانه در یک ماده حرکت کنند، میتوانند الکتریسیته را هدایت کنند. از سوی دیگر اگر الکترونها به دام بیفتند، به عنوان یک عایق عمل میکند.
نظریه محلیسازی اندرسون (Anderson localization) توضیح میدهد که چگونه رسانایی یک ماده تحت تأثیر تعداد عیوب یا نقصهای تصادفی در آن قرار میگیرد. فیلیپ اندرسون این ایده را در سال ۱۹۵۸ مطرح کرد که برای فیزیک ماده متراکم مدرن، یک ایده انقلابی بود.
محلی سازی اندرسون تعیین میکند که آیا الکترونها یا امواج الکترومغناطیسی میتوانند آزادانه حرکت کنند یا در داخل یک ماده به دام میافتند. این نظریه به هر دو جهان کلاسیک و کوانتومی گسترش مییابد و برای الکترونها، آب، امواج صوتی یا صوتی و گرانش کاربرد دارد.
تلاشهای قبلی برای دستیابی به محلیسازی سهبعدی (۳D) امواج الکترومغناطیسی اندرسون با چالشهایی مواجه شده و منجر به بحثها و نتایج مشکوک شده است. با این حال، یک مطالعه جدید به این بحثها پایان میدهد.
تیمی از محققان به سرپرستی پروفسور هوی کائو از دانشگاه ییل، با موفقیت مکان سه بعدی امواج الکترومغناطیسی برداری را در جمعیتهای تصادفی از کرههای متالیک اثبات کرده اند.
این مطالعه بحث طولانی مدت را در مورد اینکه آیا امواج نوری ممکن است در ذرات نانو یا میکرو سه بعدی، که به طور تصادفی بسته بندی شده اند به دام افتاده یا بی حرکت شوند را حل میکند.
همکاری با Flexcompute
برای چهار دهه، تلاشهای تجربی و عددی مختلفی برای یافتن نظریه محلی سازی سه بعدی اندرسون در مورد امواج الکترومغناطیسی انجام شده است. گزارشهای قبلی علیرغم تلاشهای مختلف، زیر سوال رفتهاند، زیرا میتوان آنها را به مشاهدات غیر واقعی یا سایر فرآیندهای فیزیکی نسبت داد نه محلیسازی.
شبیهسازیهای عددی نیز به دلیل پیچیدگی محاسباتی مسئله، برای اجرا چالشبرانگیز هستند. کائو و تیمش تصمیم گرفتند با Flexcompute، شرکتی که به تازگی با نرمافزار FDTD Tidy۳D خود در سرعت بخشیدن به محاسبه مرتبه بزرگی اعداد پیشرفت خوبی پیدا کرده است، همکاری کنند.
در یک بیانیه مطبوعاتی، کائو گفت: این شگفت انگیز است که حل عددی Flexcompute چقدر سریع اجرا میشود. برخی شبیهسازیهایی که انتظار داریم انجام آنها روزها طول بکشد، میتواند تنها در ۳۰ دقیقه انجام شود. این به ما اجازه میدهد تا پیکربندیهای تصادفی مختلف، اندازههای مختلف سیستم و پارامترهای ساختاری مختلف را شبیهسازی کنیم تا ببینیم آیا میتوانیم به محلیسازی سهبعدی نور برسیم یا خیر؟
کائو و تیم بین المللی پژوهشگرانش شامل دکتر تایلر هیوز و دکتر مومچیل مینکوف از Flexcompute، پروفسور زونگفو یو از دانشگاه ویسکانسین، پروفسور الکسی یامیلوف از دانشگاه میسوری و دکتر سرگئی اسکی پتروف از دانشگاه گرونوبل آلپ فرانسه بودند.
به دام انداختن امواج نور
کائو و تیمش از نرم افزار FDTD Tidy۳D Flexcompute برای نشان دادن محلی سازی سه بعدی امواج الکترومغناطیسی برداری استفاده کردند. تحقیقات آنها دو یافته اصلی داشت.
آنها ابتدا نشان دادند که مکان یابی تودههای تصادفی سه بعدی ذرات ساخته شده از مواد دی الکتریک، مانند شیشه یا سیلیکون، غیرممکن است. این یافتهها توضیح داد که چرا آزمایشهای قبلی نتوانستند محلی سازی سه بعدی اندرسون را نشان دهند.
در مرحله بعد، آنها بر روی تجمع تصادفی همپوشانی کرههای فلزی تمرکز کردند. شبیهسازیهای آنها وجود محلیسازی را در کرههای فلزی نشان داد، که کاملاً در تضاد با عدم محلیسازی دیدهشده در کرههای دیالکتریک بود.
علیرغم جذب نور در سیستمهای فلزی، که در طول تاریخ منجر به فروگذاری نسبی آنها شده است، این مطالعه تداوم محلی سازی اندرسون را در این سیستمها نشان میدهد. محققان شواهدی از محلیسازی اندرسون را مشاهده کردند، حتی با توجه به جذب نور ذاتی فلزات رایج مانند آلومینیوم، نقره و مس.
این نشان میدهد که محلی سازی اندرسون در سیستمهای فلزی یک پدیده قوی است که قادر به غلبه بر چالشهای ناشی از جذب نور است.
کائو میگوید: وقتی ما محلی سازی اندرسون را در شبیه سازی عددی دیدیم، هیجان زده شدیم. کائو گفت: با توجه به این که جامعه علمی چنین پیگیری طولانی مدتی داشته است، نتایج ما باور کردنی نبود.
نتایج این مطالعه راههای جدیدی را برای تحقیق در مورد لیزرها، فوتوکاتالیستها و محلی سازی اندرسون باز میکند.