Eine von einem Physiker der Missouri University of Science and Technology geleitete Forschungskooperation hat einen neuen Berechnungsprozess verwendet, der die Geschwindigkeit und den Umfang numerischer Simulationen erhöht, um ein zuvor theoretisiertes Verhalten von Licht zu beobachten. Trotz mehr als 40-jähriger Forschung blieb unklar, ob es bei den elektromagnetischen Wellen zu dem Phänomen der Anderson-Lokalisierung kommen könnte.
Die Anderson-Lokalisierung von Licht ist die Abwesenheit elektromagnetischer Wellen, die sich durch ein System zufällig platzierter Streupartikel ausbreiten. Die Komplexität der Welleninterferenz hat es den Forschern schwer gemacht, nachzuweisen, dass das Phänomen auftreten kann. Die Ergebnisse des Forschungsteams mit dem Titel „Anderson-Lokalisierung elektromagnetischer Wellen in drei Dimensionen“, veröffentlicht in Naturphysikbeweist seine Existenz.
„Die Situation ähnelt der, warum es äußerst schwierig ist, eine Reaktion der menschlichen Gesellschaft auf der Grundlage des Verhaltens einzelner Menschen vorherzusagen“, sagt der leitende Forscher Dr. Alexey Yamilov, Professor für Physik an der Missouri S&T. „Es ist ziemlich verlockend, Annahmen zu treffen, um das Problem zu vereinfachen; alle bisherigen Versuche, die Anderson-Lokalisierung der elektromagnetischen Wellen zu beobachten oder auszuschließen, waren jedoch vergeblich.“
Während der gesamten Forschung arbeitete das Team mit dem Startup-Unternehmen Flexcompute, Inc. zusammen, um mithilfe neuer Computertechnologien Streusysteme zu simulieren, die groß genug sind, um die Existenz einer Lokalisierung der elektromagnetischen Wellen nachzuweisen.
„Anhand der Analogie mit einer Gesellschaft konnten wir erstmals eine ausreichend große Stichprobengröße erhalten, um ein sich abzeichnendes Verhalten der Gruppe schlüssig beobachten zu können“, sagt Yamilov.
Als Ergebnis dieser Forschung werden künftige Forschungen zur Beobachtung des Lokalisierungsphänomens metallische Systeme verwenden.
„Metallische Werkstoffe gelten übrigens seit rund 25 Jahren nicht mehr als realisierbar“, sagt Yamilov. „Solche Experimente sind der nächste Schritt, um den Energieeinschluss in allen drei Dimensionen zu nutzen, um optische Nichtlinearitäten und Licht-Materie-Laserwirkung sowie gezielte Energiedepositionswechselwirkungen sowie nichtkonventionelle Laser und gezielte Energiedeposition zu verbessern.“
Die groß angelegten mikroskopischen Simulationen der Ausbreitung elektromagnetischer Wellen in 3D durch die Forschungsgruppe sind der erste gemeldete Beweis für die Wellenlokalisierung in zufälligen Gruppen metallischer Partikel in großem Maßstab.
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Alexey Yamilov et al, Anderson Lokalisierung elektromagnetischer Wellen in drei Dimensionen, Naturphysik (2023). DOI: 10.1038/s41567-023-02091-7