Natuurkundigen creëren nieuwe optische val – eerste bewijs van Anderson-lokalisatie van golven buiten het ‘val’-spectrum
Gebonden licht: Natuurkundigen zijn erin geslaagd om licht te vangen met behulp van een nieuw type val – en lieten zo een fysiek effect zien dat niet experimenteel is bewezen. In dit geval verhindert de speciale structuur golfvoortplanting, hoewel het lichtspectrum buiten het spectrale bereik van het interferentiepatroon ligt. Het was niet eerder duidelijk of de lichte keten zelfs mogelijk is door de zogenaamde Anderson-lokalisatie van zo’n groep – en dat is nu aangetoond.
Verschijnselen als breking en diffractie van licht laten zien dat licht en andere straling door bepaalde materialen kan worden beïnvloed. Dergelijke interacties kunnen de richting, fase, polarisatie of golflengte van licht veranderen. In speciale metamaterialen en fotonische kristallen zijn natuurkundigen er zelfs in geslaagd om licht te blokkeren stoppen of de snelheid van zijn ontwikkeling Tot het oneindige Versnellen.
Anderson-lokalisatie: vaste golven
Een andere manier om licht en andere golven te manipuleren is wat bekend staat als Anderson-lokalisatie. Ze zijn gebaseerd op een theoretische voorspelling van de Amerikaanse natuurkundige Philip Anderson in 1958. Volgens dit kan het verstorende effect van sommige structuren – de zogenaamde turbulente systemen – plotseling vrij bewegende elektronen en andere kwantumdeeltjes stoppen. In het geval van elektronen verandert dit plotseling een geleider in een isolator.
Sindsdien is deze Anderson-lokalisatie ook aangetoond voor verschillende vormen van straling en geluidsgolven. Er lijkt echter een beperking te zijn: deze golfvangers werken alleen als de roostergrootte van de gemanipuleerde compositie overeenkomt met het spectrum en dus de golflengte van de straling. “Experimenteel is de lokalisatie van Anderson altijd beperkt geweest tot het spectrale bereik van de storing”, leggen Alex Dikoboltsev van het Technion in Haifa en collega’s uit.
Is dit ook mogelijk voor de “onzichtbare” val?
Maar natuurkundigen hebben die grens nu overschreden: ze hebben bewezen dat “onzichtbare” lichtstructuren omdat ze buiten het spectrum liggen ook golven kunnen opvangen. Dikoboltsev en zijn team hadden dit in 2019 al theoretisch voorspeld en zijn er nu, samen met collega’s van de Universiteit van Rostock, in geslaagd om het ook experimenteel te bewijzen.
Voor hun experiment bouwden de natuurkundigen eerst een fotonische structuur die fungeert als een perturbatief systeem – een lichtval. “Om dit te doen, hebben we kilometers optische glasvezels zo met elkaar verbonden dat de voortplanting van licht in deze vezels de beweging van elektronen in de onregelmatige materialen simuleert”, legt co-auteur Sebastian Weidmann van de Universiteit van Rostock uit. De onderzoekers stuurden vervolgens stralingsbundels door dit systeem, waarvan de golfgetallen significant hoger of lager waren dan de spectrale grootte van de interfererende structuur.
Succesvol empirisch bewijs
Het resultaat: “We kunnen duidelijk zien dat lichtgolven beperkt zijn tot kleine ruimtelijke gebieden, zelfs als de turbulentie voor hen praktisch onzichtbaar is”, meldt Weidemann. De golfbundels werden op hun plaats gehouden, wat duidelijk bewijs toont van Anderson-lokalisatie. “We hebben voor het eerst experimenteel aangetoond dat Anderson-lokalisatie volledig buiten het spectrale bereik van de aandoening kan plaatsvinden”, zeggen de natuurkundigen.
Volgens hun analyse komt dit nieuwe effect tot stand door virtuele overgangen: “Door meerdere keren achter elkaar te interageren met de bijna onzichtbare turbulentie van lichtgolven, kan een onverwacht sterk effect ontstaan dat zelfs deze lichtgolven naar Anderson-lokalisatie duwt”, legt Dikoboltsev uit. . “Als gevolg hiervan kunnen golven van elk golfnummer, zelfs buiten het turbulentiespectrum, Anderson-lokalisatie ervaren.”
Ook belangrijk voor praktische toepassingen
Deze resultaten vergroten niet alleen de kennis over golfvoortplanting in turbulente systemen, maar zijn ook belangrijk voor concrete technische toepassingen. Omdat het leidt tot nieuwe mogelijkheden om selectief stromen door deze turbulente systemen te onderdrukken – of het nu licht, geluid of elektronen zijn. (Vooruitgang van de wetenschap, 2022; doi: 10.1126/sciadv.abn7769)
Bron: Universiteit van Rostock