Физики из Университета науки и технологий Миссури, Йельского университета и Университета Гренобль Альпы провели масштабное моделирование распространения света в беспорядочных 3D-структурах. Их исследование, опубликованное в Physical Review Letters, подтвердило, что фазовый переход Андерсона для света идентичен аналогичным переходам, наблюдаемым для электронов, звуковых волн и других колебаний в беспорядочных средах.
Переход Андерсона описывает явление, при котором волны перестают распространяться диффузно и переходят в локализованное состояние, оставаясь запертыми в ограниченных областях. Этот эффект был впервые описан физиком Филипом Андерсоном в отношении электронов в беспорядочных твердых телах, но позже оказалось, что он универсален для различных типов волн.
В новой работе исследователи сосредоточились на световых волнах, моделируя их поведение в ансамблях перекрывающихся сфер из идеально проводящего материала. Чтобы преодолеть традиционные трудности, связанные с наблюдением фазовых переходов в конечных системах, ученые применили метод масштабирования конечного размера. Он позволил выявить резкий критический порог – частоту, при которой система перестает демонстрировать диффузное поведение и переходит в локализованное состояние.
Ключевую роль в исследовании сыграла передовая вычислительная платформа Tidy3D от компании FlexCompute Inc., которая позволила моделировать поведение электромагнитных волн в крупных 3D-структурах. Анализ показал, что переход Андерсона для света подчиняется тем же универсальным законам, что и аналогичные явления в металлах и механических системах. Ученые впервые вычислили критический показатель порядка 1.5, что подтверждает принадлежность перехода к ортогональному универсальному классу.
Эти результаты могут повлиять на развитие оптических технологий, позволяя создавать устройства, использующие эффект локализации света, например, новые типы лазеров, датчиков и нанопористых металлических структур. Однако для окончательного подтверждения ученые планируют провести эксперименты с реальными материалами, что потребует работы в инфракрасном и микроволновом диапазонах для уменьшения поглощения света металлами.