تایید دوباره نظریه محلی سازی اندرسون

مطالعات جدید محققان دانشگاه ییل توانست نظریه محلی سازی اندرسون درباره به دام افتادن امواج نور در سیستم های فلزی را تایید کند.

به گزارش تکناک، رسانایی در یک ماده به شدت به حرکت الکترون های 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 1958 مطرح کرد که برای فیزیک ماده متراکم مدرن، یک ایده انقلابی بود.

محلی سازی اندرسون تعیین می کند که آیا الکترون ها یا امواج الکترومغناطیسی می توانند آزادانه حرکت کنند یا در داخل یک ماده به دام می افتند. 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 (3D) امواج الکترومغناطیسی اندرسون با چالش‌هایی مواجه شده و منجر به بحث‌ها و نتایج مشکوک شده است. با این حال، یک مطالعه جدید به این بحث ها پایان می دهد.

تیمی از محققان به سرپرستی پروفسور هوی کائو از دانشگاه ییل، با موفقیت مکان سه بعدی امواج الکترومغناطیسی برداری را در جمعیت های تصادفی از کره های 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 می کند.

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 Tidy3D 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 می شود. برخی شبیه‌سازی‌هایی که انتظار داریم انجام آن‌ها روزها طول بکشد، می‌تواند تنها در 30 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 Tidy3D 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 توده های تصادفی سه بعدی ذرات ساخته شده از مواد دی الکتریک، مانند شیشه یا سیلیکون، غیرممکن است. این یافته ها توضیح داد که چرا آزمایش های 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 سیستم های فلزی، که در طول تاریخ منجر به فروگذاری نسبی آنها شده است، این مطالعه تداوم محلی سازی اندرسون را در این سیستم ها نشان می دهد. محققان شواهدی از محلی‌سازی اندرسون را مشاهده کردند، حتی با توجه به جذب نور ذاتی فلزات رایج مانند آلومینیوم، نقره و مس.

این نشان می دهد که محلی سازی اندرسون در سیستم های فلزی یک پدیده قوی است که قادر به غلبه بر چالش های ناشی از جذب نور است.

کائو می گوید: 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 راه های جدیدی را برای تحقیق در مورد لیزرها، فوتوکاتالیست ها و محلی سازی اندرسون باز می کند.