Com um aumento dramático na capacidade de computação, uma equipe de pesquisadores resolveu um mistério de décadas sobre se as ondas ópticas podem ser aprisionadas em micro ou nanopartículas tridimensionais aleatoriamente embaladas. É uma descoberta que pode abrir novas possibilidades para lasers e fotocatalisadores, entre outras aplicações.

Os elétrons dentro de um material podem se mover livremente para conduzir a corrente ou ficar presos e agir como isolantes. Isso depende da quantidade de defeitos distribuídos aleatoriamente que o material possui. Quando esse conceito, conhecido como localização de Anderson, foi proposto em 1958 por Philip W. Anderson, provou ser um divisor de águas na física condensada contemporânea. A teoria se estendeu aos reinos quântico e clássico, incluindo elétrons, ondas acústicas, água e gravidade. 

No entanto, exatamente como esse princípio funciona na captura, ou localização, de ondas eletromagnéticas em três dimensões não está claro - apesar de 40 anos de estudos extensivos. Liderados pelo Prof. Hui Cao, os pesquisadores finalmente forneceram uma resposta definitiva sobre se a luz pode ser localizada em três dimensões. É uma descoberta que pode abrir uma ampla gama de caminhos tanto na pesquisa fundamental quanto nas aplicações práticas usando luz localizada 3D. Os resultados são publicados na Nature Physics . 

A busca pela localização 3D Anderson das ondas eletromagnéticas durou várias décadas com inúmeras tentativas e falhas. Houve vários relatórios experimentais de localização de luz 3D, mas todos foram questionados devido a artefatos experimentais, ou os fenômenos observados foram atribuídos a efeitos físicos diferentes da localização. Essas falhas levaram a um intenso debate sobre se a localização de ondas eletromagnéticas de Anderson existe mesmo em sistemas aleatórios 3D. Como é extremamente difícil eliminar todos os artefatos experimentais para obter resultados conclusivos, Cao e seus colegas de trabalho recorreram à “indignidade da simulação numérica”, como disse Philip W. Anderson em sua palestra do Prêmio Nobel de 1977. No entanto, a execução de simulações de computador da localização de Anderson em três dimensões provou ser um desafio.

“Não conseguimos simular sistemas tridimensionais grandes porque não temos poder de computação e memória suficientes”, disse Cao, o professor John C. Malone de física aplicada e professor de engenharia elétrica e física. “E as pessoas têm tentado vários métodos numéricos. Mas não foi possível simular um sistema tão grande para realmente mostrar se há localização ou não.” 

Mas a equipe de Cao recentemente se associou à Flexcompute , uma empresa que teve um avanço recente na aceleração de soluções numéricas em ordens de magnitude com seu FDTD Software Tidy3D .

“É incrível a rapidez com que o solucionador numérico Flexcompute é executado”, disse ela. “ Algumas simulações que esperávamos levariam  dias  para serem feitas, podem ser feitas em apenas 30 minutos . Isso nos permite simular muitas configurações aleatórias diferentes, tamanhos de sistemas diferentes e parâmetros estruturais diferentes para ver se podemos obter a localização tridimensional da luz”. 

Cao reuniu uma equipe internacional que incluía seu colaborador de longa data, Prof. Alexey Yamilov, da Universidade de Ciência e Tecnologia de Missouri, e o Dr. Sergey Skipetrov, da Universidade de Grenoble Alpes, na França. Eles trabalharam em estreita colaboração com o Prof. Zongfu Yu da Universidade de Wisconsin, o Dr. Tyler Hughes e o Dr. Momchil Minkov da Flexcompute. 

Livre de todos os artefatos que previamente estragaram os dados experimentais, seu estudo encerra o longo debate sobre a possibilidade de localização da luz em três dimensões com resultados numéricos precisos. Primeiro, eles mostraram que é impossível localizar a luz em agregados aleatórios tridimensionais de partículas feitas de materiais dielétricos como vidro ou silício, o que explica as falhas dos intensos esforços experimentais nas últimas décadas. Em segundo lugar, eles apresentaram a evidência inequívoca da localização de Anderson de ondas eletromagnéticas em embalagens aleatórias de esferas metálicas.  

“Ficamos emocionados quando vimos a localização de Anderson na simulação numérica”, disse Cao. “Foi incrível, considerando que há tanto tempo atrás da comunidade científica.”

Os sistemas metálicos foram ignorados por muito tempo devido à sua absorção de luz. Mas mesmo considerando a perda de metais comuns como alumínio, prata e cobre, a localização de Anderson persiste.  

“Surpreendentemente, embora a perda não tenha sido pequena, ainda podemos ver evidências da localização de Anderson. Isso significa que este é um efeito muito robusto e forte.”

Além de resolver algumas questões antigas, a pesquisa abre novas possibilidades para lasers e fotocatalisadores. 

“O confinamento tridimensional da luz em metais porosos pode melhorar as não linearidades ópticas, as interações luz-matéria e controlar o laser aleatório, bem como a deposição de energia direcionada”. disse Cao. “Portanto, esperamos que haja muitas aplicações.”