Lokalisering genom spektralt beroende spridning och övergångar. (A) Lokalisering via första ordningens spridning:vågor med olika vågnummer k (olika färger) genomgår spridningshändelser som beror på potentialens spektrala nedbrytning. (B) Det bandbreddsbegränsade spektrumet av korrelerad störning, representerar gitter med slumpmässig amplitud och fas. Komponenterna som inte är noll ligger i intervallen [ ±k0 − Δk/2, ± k0 +Δk/2]. (C) Spridningsprocesser förmedlade av en enda spektral komponent k0 [från ], med spridningskurvan β(k) =k 2 /2β som beskriver fasfelanpassningen. En första ordningens fasmatchad övergång:En våg med vågnummer −k0 /2 sprids effektivt till k0 /2 eftersom β(−k0 /2) =β(k0 /2). En andra ordningens fasmatchad övergång äger rum när en våg sprider sig från −k0 till 0 och därefter till k0 . Det mellanliggande tillståndet vid k =0 kallas virtuellt eftersom det är fasfelmatchat med den initiala vågen β( − k0 ) olik β(0). Med gitterkomponenten vid ±k0 , det finns ingen fasmatchad spridning för en våg som börjar med -0,75k0 . Kredit:Science Advances (2022). DOI:10.1126/sciadv.abn7769
I samarbete med professor Mordechai Segevs grupp (Technion, Israel Institute of Technology) har fysiker från professor Alexander Szameits grupp (Universitetet i Rostock) demonstrerat en ny typ av mekanism som kan förhindra ljusvågor från att spridas fritt. Hittills hade den underliggande fysiska effekten ansetts alldeles för svag för att helt stoppa vågexpansionen. I sina senaste experiment observerade fysikerna att sådan ljuslokalisering ändå är möjlig, vilket visar den kusliga känsligheten för vågutbredning över ett brett spektrum av rumsliga längdskalor. Deras upptäckt publicerades nyligen i tidskriften Science Advances .
1958 överraskade Phil Anderson det internationella forskarsamhället genom att förutsäga att en elektrisk ledare (som koppar) plötsligt kan förvandlas till en isolator (som glas), när den atomära kristallordningen är tillräckligt omskakad. I fysikens jargong kan en sådan "störning" fästa de annars fritt rörliga elektronerna och på så sätt förhindra betydande elektriska strömmar genom materialet. Detta fysiska fenomen, känt som "Anderson-lokalisering", kan bara förklaras av modern kvantmekanik, där elektroner behandlas inte bara som partiklar, utan också som vågor. Som det visar sig gäller denna effekt, för vilken Phil Anderson tilldelades en del av Nobelpriset i fysik 1977, även för klassiska miljöer:Disorder kan på samma sätt undertrycka utbredningen av ljudvågor eller till och med ljusstrålar.
Fysikprofessorerna Alexander Szameit och Mordechai Segevs forskning handlar om ljusets egenskaper och dess interaktion med materia. Nyligen gjorde professor Segevs team en häpnadsväckande upptäckt:Ljusvågor kan till och med visa Anderson-lokalisering inducerad om störningen praktiskt taget är för dem. Går långt utöver Phil Andersons ursprungliga överväganden, denna nya typ av störning innehåller uteslutande rumsligt periodiska distributioner med vissa våglängder.
"Naivt skulle man förvänta sig att endast de vågor vars rumsfördelningar på något sätt matchar störningens längdskalor kan påverkas av det och potentiellt uppleva Anderson-lokalisering", förklarar Sebastian Weidemann, som är doktor. student vid Institutet för Fysik i professor Szameits grupp.
"Andra vågor borde i huvudsak sprida sig som om det inte fanns någon störning alls", fortsätter Dr. Mark Kremer, som också är från professor Szameits grupp.
Däremot antydde det senaste teoretiska arbetet från Technion-teamet att utbredningen av vågor kan påverkas dramatiskt även av en sådan "osynlig störning."
"När ljusvågor kan interagera flera gånger med den osynliga störningen, kan en överraskande stark effekt byggas upp och stoppa all ljusspridning", säger Ph.D. elev Alex Dikopoltsev från professor Segevs grupp när han beskriver effekten.
I nära samarbete demonstrerar fysikerna från Rostock och Israel den nya lokaliseringsmekanismen för första gången. "För detta ändamål konstruerade vi artificiella oordnade material från kilometer av optisk fiber. Arrangerade på ett intrikat sätt emulerar våra optiska nätverk den rumsliga spridningen av elektroner i oordnade material. Detta gjorde det möjligt för oss att direkt observera hur praktiskt taget osynliga strukturer framgångsrikt kan fånga ljusvågor ," förklarar Sebastian Weidemann, som genomförde experimenten tillsammans med Dr Mark Kremer.
Upptäcktena utgör ett betydande framsteg inom grundforskningen om utbredning av vågor i oordnade medier, och banar potentiellt vägen mot en ny generation av syntetiska material som utnyttjar oordning för att selektivt undertrycka strömmar; oavsett om det är ljus, ljud eller till och med elektroner. + Utforska vidare
