Grâce à une amélioration spectaculaire de la capacité de calcul, une équipe de chercheurs a résolu un mystère de longue date concernant la possibilité de piéger des ondes optiques dans des micro- ou nanoparticules agencées de manière aléatoire en trois dimensions.
Cette découverte pourrait ouvrir de nouvelles possibilités pour les lasers et les photocatalyseurs, entre autres applications.
Les électrons à l’intérieur d’un matériau peuvent soit se déplacer librement pour conduire un courant, soit se retrouver piégés et agir en tant qu’isolants. Ceci dépend du nombre de défauts distribués de manière aléatoire dans le matériau. Lorsque ce concept, connu sous le nom de localisation d’Anderson, a été proposé en 1958 par Philip W. Anderson, il a constitué une révolution dans la physique condensée contemporaine. La théorie s’est étendue aux domaines quantique et classique, incluant les électrons, les ondes acoustiques, l’eau et la gravité.
L’énigme des ondes électromagnétiques en 3D
Cependant, la manière dont ce principe s’applique à l’emprisonnement, ou localisation, des ondes électromagnétiques en trois dimensions demeurait incertaine malgré 40 années d’études approfondies.
Dirigée par la Professeure Hui Cao, une équipe de chercheurs a finalement apporté une réponse définitive à la question de savoir si la lumière peut être localisée en trois dimensions. Il s’agit d’une découverte qui pourrait ouvrir un large éventail de possibilités tant dans la recherche fondamentale que dans les applications pratiques utilisant la lumière localisée en 3D.
Les résultats ont été publiés dans Nature Physics.
La quête de la localisation d’Anderson des ondes électromagnétiques en 3D s’est étalée sur plusieurs décennies, avec de nombreuses tentatives et échecs. Il y a eu plusieurs rapports expérimentaux sur la localisation de la lumière en 3D, mais tous ont été remis en question en raison d’artefacts expérimentaux, ou les phénomènes observés ont été attribués à des effets physiques autres que la localisation.
Ces échecs ont suscité un débat intense sur l’existence même de la localisation d’Anderson des ondes électromagnétiques dans les systèmes aléatoires en 3D.
Le saut technologique qui a changé la donne
Comme il est extrêmement difficile d’éliminer tous les artefacts expérimentaux pour obtenir des résultats concluants, Hui Cao et ses collaborateurs ont eu recours à l' »indignité de la simulation numérique« , comme l’a dit Philip W. Anderson lors de sa conférence Nobel en 1977. Cependant, la simulation informatique de la localisation d’Anderson en trois dimensions a longtemps posé problème.
« Mais ensuite, notre équipe s’est récemment associée à Flexcompute, une entreprise qui a récemment fait une percée en accélérant les solutions numériques de plusieurs ordres de grandeur grâce à leur logiciel FDTD Tidy3D« , explique Hui Cao.
La localisation de la lumière en 3D est-elle possible ?
Libérée de tous les artefacts qui ont précédemment terni les données expérimentales, leur étude met fin au long débat sur la possibilité de localiser la lumière en trois dimensions avec des résultats numériques précis.
D’abord, ils ont démontré qu’il est impossible de localiser la lumière dans des agrégats aléatoires en trois dimensions de particules faites de matériaux diélectriques tels que le verre ou le silicium. Ensuite, ils ont présenté des preuves incontestables de la localisation d’Anderson des ondes électromagnétiques dans des emballages aléatoires de sphères métalliques.
« Quand nous avons vu la localisation d’Anderson dans la simulation numérique, nous étions ravis« , a déclaré Hui Cao. « C’était incroyable, compte tenu du fait qu’il y a eu une si longue quête de la part de la communauté scientifique.«
De nouvelles perspectives pour les lasers et les photocatalyseurs
Outre le fait de résoudre certaines questions de longue date, la recherche ouvre de nouvelles possibilités pour les lasers et les photocatalyseurs.
« La confinement en trois dimensions de la lumière dans les métaux poreux peut améliorer les non-linéarités optiques, les interactions lumière-matière, et contrôler le lasing aléatoire ainsi que la déposition ciblée d’énergie« , a déclaré Hui Cao. « Nous nous attendons donc à ce qu’il y ait de nombreuses applications.«
FAQ
Qu’est-ce que la localisation d’Anderson ?
Pourquoi la localisation de la lumière en trois dimensions a-t-elle été difficile à prouver ?
Comment les chercheurs ont-ils réussi à prouver la localisation de la lumière en trois dimensions ?
Quelles sont les applications possibles de cette découverte ?
