Ett nytt experiment som dyker upp i Science visar att egenskaper som är till och med 100 gånger mindre än våglängden fortfarande kan avkännas av ljus.

Vi kan inte se atomer med blotta ögat eftersom de är så små i förhållande till ljusets våglängd. Detta är ett exempel på en allmän regel inom optik - ljus är okänsligt för egenskaper som är mycket mindre än den optiska våglängden. Dock, ett nytt experiment dyker upp i Vetenskap visar att egenskaper som är till och med 100 gånger mindre än våglängden fortfarande kan avkännas av ljus.

Hanan Sheinfux och Dr Yaakov Lumer, från gruppen av Prof. Moti Segev vid Technion -Technical Institute of Israel, genomförde denna studie i samarbete med Dr. Guy Ankonina och Prof. Guy Bartal (Technion) och Prof. Azriel Genack (City University of New York).

Deras arbete undersöker en stapel av nanometriskt tunna lager - varje lager är i genomsnitt 20, 000 gånger tunnare än ett pappersark. Den exakta tjockleken på skikten är avsiktligt slumpmässig, och vanligtvis borde denna nanometriska störning inte ha någon fysisk betydelse. Men det här experimentet visar att även en 2nm (~6 atomer) tjockleksökning till ett enda lager någonstans inuti strukturen kan avkännas om ljus lyser upp strukturen i en mycket specifik infallsvinkel. Vidare, den kombinerade effekten av alla slumpmässiga variationer i alla skikten manifesterar ett viktigt fysiskt fenomen som kallas Anderson-lokalisering, men i en regim där det ansågs ha försvinnande små effekter.

"Detta arbete visar att ljus kan fångas i strukturer som är mycket tunnare än ljusets våglängd och att små förändringar i denna struktur kan observeras, ", sa Dr. Genack. "Detta gör strukturen mycket känslig för miljön."

Upptäckten av elektronlokalisering 1958, för vilken Anderson tilldelades Nobelpriset 1977, är fenomenet där oordning förvandlar ett system från en ledare till en isolator. Fenomenet har visat sig vara ett allmänt vågfenomen och gälla ljus och ljud såväl som elektroner. Anderson lokalisering är en notoriskt svår effekt att demonstrera i labbet. Rent generellt, lokalisering har praktiskt taget ingen effekt när slumpmässiga egenskaper hos ett prov är mycket mindre än våglängden. Verkligen, det slumpmässiga arrangemanget av atomerna i ett oordnat medium som glas kan inte observeras med synligt ljus:glaset ser helt homogent ut, även under det bästa optiska mikroskopet. Dock, lokaliseringseffekten som ses i detta senaste experiment är förvånansvärt potent.

Som en grov analog till fysiken som möjliggör dessa resultat, försök prata med en vän i samma rum med en högljudd motor. Ett sätt att bli hörd är att höja rösten över motorljudet. Men det kan också vara möjligt att prata om du kan hitta en lugn plats i bruset, där motorns ljud är relativt svagt. Motorns ljud är analogt med lagrens "genomsnittliga" inflytande och att höja din röst är detsamma som att använda "stark" störning med våglängdsstora komponenter. Dock, detta experiment har visat att sådana strukturer uppvisar en "exceptionell punkt" som motsvarar den tysta platsen i rummet. Det är en punkt där, även om störningen är svag (nanometrisk), den genomsnittliga effekten av strukturen är ännu svagare. De delar av experimentet som utfördes i närheten av denna punkt visar därför en ökad känslighet för störningar och uppvisar Anderson-lokalisering.

Dessa resultat är ett proof-of-concept som kan bana väg för stora nya tillämpningar inom avkänning. Detta tillvägagångssätt kan möjliggöra användningen av optiska metoder för att göra höghastighetsmätningar av nanometriska defekter i datorchips och fotoniska enheter.