Fysikere demonstrerer en ny mekanisme, der kan forhindre lysbølger i at spredes frit

Lokalisering gennem spektralt afhængig spredning og overgange. (A) Lokalisering via førsteordens spredning:bølger med forskellige bølgetal k (forskellige farver) gennemgår spredningsbegivenheder, der afhænger af potentialets spektrale nedbrydning. (B) Det båndbreddebegrænsede spektrum af korreleret lidelse, repræsenterer gitter med tilfældig amplitude og fase. Komponenterne, der ikke er nul, ligger i intervallerne [ ±k₀ − Δk/2, ± k₀ +Δk/2]. (C) Spredningsprocesser medieret af en enkelt spektral komponent k₀ [fra ], med spredningskurven β(k) =k² /2β, der beskriver fasemismatchet. En førsteordens fasetilpasset overgang:En bølge med bølgenummer −k₀ /2 spreder sig effektivt til k₀ /2 fordi β(−k₀ /2) =β(k₀ /2). En andenordens fasetilpasset overgang finder sted, når en bølge spredes fra -k₀ til 0 og efterfølgende til k₀ . Mellemtilstanden ved k =0 kaldes virtuel, fordi den er fasemismatchet med startbølgen β( − k₀ ) ulig med β(0). Med gitterkomponenten ved ±k₀ , er der ingen fasetilpasset spredning for en bølge, der starter med -0,75k₀ . Kredit:Science Advances (2022). DOI:10.1126/sciadv.abn7769

I samarbejde med gruppen af professor Mordechai Segev (Technion, Israel Institute of Technology) har fysikere fra gruppen af professor Alexander Szameit (University of Rostock) demonstreret en ny type mekanisme, der kan forhindre lysbølger i at sprede sig frit. Hidtil var den underliggende fysiske effekt blevet betragtet som alt for svag til fuldt ud at standse bølgeudvidelsen. I deres seneste eksperimenter observerede fysikerne, at en sådan lyslokalisering ikke desto mindre er mulig, hvilket viser den uhyggelige følsomhed af bølgeudbredelse over en bred vifte af rumlige længdeskalaer. Deres opdagelse blev for nylig offentliggjort i tidsskriftet Science Advances .

I 1958 overraskede Phil Anderson det internationale videnskabelige samfund ved at forudsige, at en elektrisk leder (såsom kobber) brat kan blive til en isolator (såsom glas), når den atomare krystalorden er rystet tilstrækkeligt op. I fysikernes jargon kan en sådan "uorden" fastholde de ellers frit bevægende elektroner og dermed forhindre væsentlige elektriske strømme gennem materialet. Dette fysiske fænomen, kendt som "Anderson lokalisering," kan kun forklares af moderne kvantemekanik, hvor elektroner behandles ikke kun som partikler, men også som bølger. Som det viser sig, gælder denne effekt, for hvilken Phil Anderson blev tildelt en del af Nobelprisen i fysik 1977, også for klassiske omgivelser:Uorden kan ligeledes undertrykke udbredelsen af lydbølger eller endda lysstråler.

Fysikprofessorerne Alexander Szameit og Mordechai Segevs forskning beskæftiger sig med lysets egenskaber og dets interaktion med stof. For nylig gjorde holdet af professor Segev en forbløffende opdagelse:Lysbølger kan endda vise Anderson-lokalisering induceret, hvis lidelsen praktisk talt er for dem. Denne nye type lidelse, der går langt ud over Phil Andersons oprindelige overvejelser, indeholder udelukkende rumlige periodiske fordelinger med bestemte bølgelængder.

"Naivt kunne man forvente, at kun de bølger, hvis rumlige fordelinger på en eller anden måde matcher lidelsens længdeskala, kan blive påvirket af det og potentielt opleve Anderson-lokalisering," forklarer Sebastian Weidemann, der er ph.d. studerende ved Institut for Fysik i gruppen af professor Szameit.

"Andre bølger burde i det væsentlige forplante sig, som om der overhovedet ikke var nogen uorden," fortsætter Dr. Mark Kremer, som også er fra professor Szameits gruppe.

I modsætning hertil antydede det nylige teoretiske arbejde fra Technion-teamet, at udbredelsen af bølger kunne blive dramatisk påvirket selv af en sådan "usynlig lidelse."

"Når lysbølger kan interagere flere gange med den usynlige lidelse, kan en overraskende stærk effekt opbygges og standse al lysudbredelse," siger ph.d. studerende Alex Dikopoltsev fra professor Segevs gruppe, da han beskriver effekten.

I tæt samarbejde demonstrerer fysikerne fra Rostock og Israel den nye lokaliseringsmekanisme for første gang. "Til dette formål konstruerede vi kunstige uordnede materialer ud fra kilometer af optisk fiber. Arrangeret på en indviklet måde efterligner vores optiske netværk den rumlige spredning af elektroner i uordnede materialer. Dette gjorde det muligt for os direkte at observere, hvordan praktisk talt usynlige strukturer med succes kan fange lysbølger. ," forklarer Sebastian Weidemann, der har udført forsøgene sammen med læge Mark Kremer.

Opdagelserne udgør et betydeligt fremskridt i grundforskningen om udbredelse af bølger i uordnede medier og baner potentielt vejen mod en ny generation af syntetiske materialer, der udnytter uorden til selektivt at undertrykke strømme; uanset om det er lys, lyd eller endda elektroner. + Udforsk yderligere

Stop-motion fotoner:Lokaliserede lyspartikler på vejen

Sidste artikelUndersøgelse afdækker, hvordan strukturelle ændringer påvirker de superledende egenskaber af et metaloxid

Næste artikelOpdagelse af nye mekanismer til at kontrollere lydstrømmen