科学者たちは、3次元的にランダムに詰まったマイクロ粒子やナノ粒子に光を効果的に閉じ込めることができるかどうかについて、数十年来の謎を解明した。
粒子間相互作用のモデルで膨大な計算をする新しい方法を用いて、アメリカとフランスの物理学者チームが、光の波が適切な種類の物質の欠陥によって停止させられる条件を明らかにした。
物質の導電性は、物質内部の電子の動きに強く依存する。電子が物質内で自由に動くことができれば電気を通すことができるが、電子が捕捉されれば絶縁体として働く。
アンダーソン局在とは、物質中のランダムな欠陥の数によって導電性がどのように影響されるかを説明するものである。フィリップ・アンダーソン(Philip Warren Anderson)が1958年に提唱したこのアイデアは、現代の物性物理学にとって画期的なものであった。
アンダーソン局在は、電子や電磁波が物質内を自由に移動できるか、あるいは閉じ込められるかを決定する。この理論は、電子、水、音響波や音波、重力に適用され、古典と量子の両方の世界に広がっている。
電磁波の3次元（3D）アンダーソン局在を実現しようとするこれまでの試みは、難題に直面し、議論や疑問の残る結果をもたらしてきた。しかし、新たな研究により、こうした論争に終止符が打たれた。
イェール大学のHui Cao教授率いる研究チームは、重なり合った金属球のランダム集合体におけるベクトル電磁波の3次元局在を、決定的に実証したのである。
この研究により、光波が3次元的にランダムに詰まったナノ粒子やマイクロ粒子に捕捉されたり凍結されたりする可能性があるかどうかという、長年にわたる論争に決着がついた。
Flexcomputeとの提携
40年来、電磁波の3Dアンダーソン局在を見つけるために、様々な実験や数値計算が試みられてきた。様々な努力にもかかわらず、これまでの報告は、局在化ではなく、観測的なアーチファクトや他の物理的過程に起因するものとして、疑問視されてきた。
また、数値シミュレーションは計算が複雑なため、実行が困難であることも判明している。Cao氏と彼女のチームは、FDTDソフトウェアTidy3Dで数値解の高速化において画期的な進歩を遂げたFlexcompute社と提携することにした。
「Flexcomputeの数値ソルバーの速さには驚かされる。何日もかかると思われるシミュレーションが、わずか30分でできるのです。これによって、さまざまなランダム配置、さまざまなシステムサイズ、さまざまな構造パラメータをシミュレートして、光の3次元的な局在が得られるかどうかを確認することができるのです」と、Cao氏はプレスリリースの中で述べている。
Cao氏と彼女の国際研究チームには、Flexcompute社のTyler Hughes博士とMomchil Minkov博士、ウィスコンシン大学のZongfu Yu教授、ミズーリ科学技術大学のAlexey Yamilov教授、フランスのグルノーブル・アルプ大学のSergey Skipetrov博士が参加している。
光波を閉じ込める
Cao氏の研究チームは、Flexcompute社のFDTDソフトウェアTidy3Dを使用して、ベクトル電磁波の3次元定位を実証した。彼らの研究には2つの主要な発見があった。
まず、ガラスやシリコンなどの誘電体でできた粒子の3次元ランダム集合体の局在化は不可能であることを示した。これにより、これまでの実験でアンダーソンの3次元局在が実証できなかった理由が説明された。
次に、重なり合った金属球のランダム凝集体に注目した。シミュレーションの結果、金属球に局在があることが示されたが、誘電体球に局在が見られないのとは対照的であった。
金属系では光が吸収されるため、これまで相対的に無視されてきたが、この研究により、金属系でもアンダーソン局在が持続することが示された。研究者らは、アルミニウム、銀、銅のような一般的な金属固有の光吸収を考慮しても、アンダーソン局在の証拠を観察した。
このことは、金属系におけるアンダーソン局在は、光吸収がもたらす課題を克服できる強固な現象であることを示唆している。
「数値シミュレーションでアンダーソン局在を見たとき、私たちは興奮しました。科学界がこれほど長い間追求してきたことを考えると、信じられないことでした」とCao教授は語った。
これにより、レーザー、光触媒、アンダーソン局在の研究に新たな道が開かれることになる。
「多孔質金属に光を3次元的に閉じ込めることで、光非線形性や光と物質の相互作用を高め、ランダムレーシングや標的エネルギー蒸着を制御することができます。ですから、多くの応用が期待できるのです」と、Cao教授はこの研究成果の意義を述べている。
論文
参考文献
- Yale School of Engineering & Applied Science: With Trapped Waves, Researchers Resolve a Longstanding Debate
- via ScienceAlert: Waves of Light Can Be ‘Frozen’ in 3D Materials, According to a New Simulation
研究の要旨
アンダーソン局在は、無秩序系における拡散的波動伝播の停止である。過去40年にわたる広範な研究にもかかわらず、3次元における光のアンダーソン局在はとらえどころがなく、その存在そのものが疑問視されてきた。最近の進歩により、有限差分時間領域計算が桁違いに高速化され、これまでにない次元と屈折率差を持つ完全無秩序な3次元系における光輸送のブルートフォース数値シミュレーションが可能になった。我々は、重なり合った金属球のランダムな集合体におけるベクトル電磁波の3次元的な局在を数値的に示したが、空気中の屈折率10までの誘電体球では局在が見られなかったのとは対照的であった。私たちの研究は、アンダーソン局在に関する基礎研究と、3次元局在光を利用した応用の可能性の両方に、幅広い道を開くものである。
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