Os cientistas resolveram um mistério de décadas sobre se a luz pode ser efetivamente aprisionada em uma “floresta” 3D de partículas microscópicas.
Usando um novo método para calcular grandes somas em um modelo de interações de partículas, uma equipe de físicos nos Estados Unidos e na França revelou condições sob as quais uma onda de luz pode ser paralisada por armadilhas no tipo certo de material.
Conhecida como localização de Anderson, em homenagem ao 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 da matéria condensada contemporânea, aplicando-se tanto à mecânica quântica quanto a clássica.
No reino clássico, imaginaríamos uma partícula pontual simplesmente quicando como uma bola de pinball através de um labirinto enquanto é dispersa por defeitos. No entanto, a identidade quântica ondulatória de uma partícula se torna cada vez mais confusa, forçando o elétron a parar e transformando o material em um isolante.
Uma coisa semelhante parece acontecer quando as ondas eletromagnéticas que compõem a luz se dispersam através de algumas substâncias, pelo menos em uma ou duas dimensões. Até agora, no entanto, ninguém havida sido capaz de descobrir se esta física se mantém em três dimensões (não por falta de tentativa).
Finalmente, avanços em software de cálculo e simulações numéricas possibilitaram que o mistério fosse resolvido.
“Não conseguíamos simular sistemas tridimensionais grandes porque não tínhamos poder de computação e memória suficientes”, diz o físico e engenheiro elétrico Hui Cao, da Yale University, 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 FDTD Software Tidy3D, Cao 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 algoritmo do método de diferenças finitas no domínio do tempo (FDTD), que divide os 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 foram problemáticos em estudos anteriores.
O que os pesquisadores descobriram foi que a luz não pode ser localizada em 3D em materiais dielétricos (isolantes), como vidro ou silício, o que pode explicar por que isso intrigou os cientistas por tanto tempo. No entanto, havia evidências numéricas claras da localização 3D de Anderson em pacotes aleatórios de esferas metálicas condutoras.
“Ficamos emocionados quando vimos a localização de Anderson na simulação numérica”, diz Cao. “Foi incrível, considerando que a comunidade científica tentava há tanto tempo atrás”.
Os resultados dão aos cientistas uma ideia melhor de onde direcionar suas pesquisas no futuro e uma maior compreensão de como a localização 3D de Anderson pode ou não ocorrer em diferentes tipos de materiais.
Parte desse esforço de pesquisa buscará observar o efeito experimentalmente, evidência que até agora permaneceu “teimosamente evasiva” para os cientistas. Cao e seus colegas propuseram um possível experimento que, segundo eles, evitaria as armadilhas experimentais do passado e que eles esperam “fornecer um sinal revelador da localização de Anderson”.
Mais adiante, alguns dos campos em que a descoberta pode ser significativa incluem o desenvolvimento de sensores ópticos e a construção de sistemas de conversão e armazenamento de energia. Por enquanto, porém, sabemos que a localização de Anderson pode funcionar em três dimensões, cerca de 65 anos depois de ter sido imaginada.
“O confinamento tridimensional da luz em metais porosos pode melhorar as ópticas não lineares, as interações luz-matéria e controlar a emissão laser aleatória, bem como a deposição direcionada de energia”, diz Cao. “Portanto, esperamos que possa haver muitas aplicações.”
A pesquisa foi publicada na Nature Physics.
Publicado no ScienceAlert
