资料来源：耶鲁大学

随着计算能力的大幅提升，一个研究小组已经解开了一个长达数十年的谜团，即光波是否能够被困于三维随机包装的微颗粒或纳米颗粒中。这一发现可能为激光器和光催化剂以及其他应用带来新的可能性。

材料内部的电子既可以自由移动以传导电流，也可以被困住并充当绝缘体。这取决于材料中随机分布的缺陷的数量。当这个被称为安德森定位的概念在1958年由菲利普-W-安德森提出时，它被证明是当代凝聚态物理学的一个改变者。该理论延伸到量子和经典领域，包括电子、声波、水和重力。

然而，尽管经过40年的广泛研究，这一原理在三维电磁波的捕获或定位中究竟是如何发挥的，一直不清楚。在曹晖教授的领导下，研究人员终于提供了一个明确的答案，即光是否可以在三维空间中被定位。这一发现可以为基础研究和使用三维定位光的实际应用开辟一条广泛的途径。该结果发表在《自然-物理学》上。

对电磁波的三维安德森定位的探索已经跨越了几十年，有许多尝试和失败。有多个关于3D光定位的实验报告，但它们都因实验伪影而受到质疑，或者观察到的现象被归因于定位以外的物理效应。

这些失败导致了关于在三维随机系统中是否存在电磁波的安德森定位的激烈辩论。由于消除所有的实验假象以获得结论性的结果是非常困难的，曹文轩和她的同事们诉诸于 "数字模拟的耻辱"，正如菲利普-W-安德森在他1977年的诺贝尔奖演讲中所说。然而，在三维空间运行安德森定位的计算机模拟长期以来被证明具有挑战性。

"我们无法模拟大型三维系统，因为我们没有足够的计算能力和内存，"约翰-C-马龙应用物理学教授、电气工程和物理学教授Cao说。"而且人们一直在尝试各种数值方法。但不可能模拟如此大的系统，以真正显示是否存在本地化"。

但后来，Cao的团队最近与Flexcompute公司合作，这家公司最近在用他们的FDTD软件Tidy3D加速数值解算方面取得了突破性进展。

"她说："Flexcompute的数值解算器运行速度之快令人惊讶。"一些我们预计需要几个月的模拟，只需30分钟就能完成。这使我们能够模拟许多不同的随机配置、不同的系统尺寸和不同的结构参数，以查看我们是否能够获得光的三维定位。"

Cao组建了一个国际团队，包括她长期合作的密苏里科技大学的Alexey Yamilov教授和法国格勒诺布尔阿尔卑斯大学的Sergey Skipetrov博士。他们与威斯康星大学的于宗福教授、泰勒-休斯博士和Flexcompute的莫奇尔-明科夫博士紧密合作。

他们的研究摆脱了之前破坏实验数据的所有伪装，以精确的数值结果结束了关于光在三维空间定位的可能性的长期辩论。首先，他们表明，在玻璃或硅等介电材料制成的颗粒的三维随机聚集体中不可能实现光的定位，这解释了过去几十年激烈的实验努力的失败。其次，他们提出了电磁波在金属球体的随机包中的安德森定位的明确证据。

"当我们在数值模拟中看到安德森定位时，我们很激动，"Cao说。"考虑到科学界已经有了这么长时间的追求，这真是不可思议。"

金属系统由于其对光的吸收而长期被忽视。但即使考虑到铝、银和铜等常见金属的损失，安德森的定位仍然存在。

"令人惊讶的是，即使损失不小，我们仍然可以看到安德森定位的证据。这意味着这是一个非常稳健和强大的效果"。

除了解决一些长期存在的问题，这项研究还为激光器和光催化剂开辟了新的可能性。

"Cao说："多孔金属中的光的三维限制可以增强光学非线性，光与物质的相互作用，并控制随机发光以及定向能量沉积。"所以我们预计可能会有很多应用。"

参考资料

Alexey Yamilov et al, Anderson localization of electromagnetic waves in three dimensions, Nature Physics (2023). DOI: 10.1038/s41567-023-02091-7