Piéger la lumière dans des matériaux, une énigme de plusieurs décennies enfin résolue

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| nadla/iStock

Une équipe internationale de chercheurs a résolu un mystère de plusieurs décennies en démontrant la localisation d’Anderson de la lumière dans des sphères métalliques. Ils ont révélé les conditions dans lesquelles une onde lumineuse peut être capturée dans un matériau 3D. Cette découverte pourrait avoir des implications majeures dans divers domaines, notamment l’optique, l’énergie et les technologies de communication.

Dans le domaine de l’optique, la lumière est bien plus qu’une simple source d’éclairage. Elle est un outil puissant pour comprendre l’Univers, un moyen de communication rapide et une source d’énergie potentielle. Cependant, la lumière est aussi un mystère, avec des comportements qui défient parfois notre compréhension intuitive. Un de ces mystères, qui a intrigué les scientifiques durant des décennies, concerne la possibilité de piéger la lumière dans des matériaux tridimensionnels, un phénomène connu sous le nom de localisation d’Anderson.

Cette question, qui a longtemps été débattue dans la communauté scientifique, a récemment trouvé une réponse grâce à une équipe internationale de chercheurs. En utilisant des simulations numériques avancées, ils ont réussi à démontrer que la lumière peut effectivement être localisée en 3D, mais seulement dans certaines conditions. Leurs travaux sont publiés dans la revue Nature Physics.

L’importance de la localisation d’Anderson

Le phénomène en question est connu sous le nom de localisation d’Anderson, du nom du physicien théoricien américain Philip W. Anderson. Selon ce concept, les électrons peuvent être piégés (localisés) dans des matériaux désordonnés avec des anomalies réparties de manière aléatoire. Proposé en 1958, ce concept a marqué un tournant significatif dans la physique contemporaine de la matière condensée, s’appliquant aussi bien à la mécanique quantique qu’à la mécanique classique.

Jusqu’à présent, personne n’avait réussi à déterminer si la physique de la localisation d’Anderson s’appliquait dans trois dimensions. Cao, professeur de physique appliquée et de génie électrique, explique dans un communiqué : « Nous ne pouvions pas simuler de grands systèmes tridimensionnels, car nous n’avions pas assez de puissance de calcul et de mémoire ».

C’est grâce à des avancées dans les logiciels de calcul et les simulations numériques que le mystère a finalement été résolu. L’équipe de recherche a utilisé un nouvel outil appelé FDTD Software Tidy3D, de Flexcompute. Ce dernier a permis d’accélérer considérablement le processus de simulation.

En effet, Cao souligne : « C’est incroyable la vitesse à laquelle le solveur numérique Flexcompute fonctionne. Certaines simulations qui, selon nous, prendraient des jours, peuvent être faites en seulement 30 minutes. Cela nous permet de simuler de nombreuses configurations aléatoires, avec différentes tailles de système et divers paramètres structurels pour déterminer si nous pouvons obtenir une localisation tridimensionnelle de la lumière ».

Piéger la lumière grâce aux défauts des matériaux

Lors de leurs recherches, les scientifiques ont d’abord étudié la possibilité de localiser la lumière en 3D dans des matériaux diélectriques, qui sont des isolants électriques, tels que le verre ou le silicium. Ces matériaux sont couramment utilisés dans diverses technologies et applications. Cependant, les résultats de leurs simulations numériques ont montré que la lumière ne pouvait pas être localisée en 3D dans ces types de matériaux. Cela signifie que la lumière continue de se propager à travers ces matériaux sans être piégée.

Par la suite, l’équipe de recherche a obtenu des résultats différents lorsqu’elle a examiné les sphères métalliques conductrices. En utilisant des simulations numériques, les chercheurs ont trouvé des preuves évidentes que la lumière pouvait être localisée en 3D dans des ensembles aléatoires de ces sphères. En d’autres termes, la lumière, au lieu de se propager à travers les sphères, est piégée et reste dans une petite région de l’espace.

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Visualisation des ondes électromagnétiques piégées en 3D. © Université de Yale

Ces résultats sont importants, car ils donnent aux scientifiques une meilleure idée de la direction à prendre pour leurs recherches futures. Ils ont maintenant une meilleure compréhension de la manière dont la localisation d’Anderson en 3D peut, ou ne peut pas, se produire dans différents types de matériaux.

Implications futures

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À long terme, cette découverte pourrait avoir des implications significatives dans le développement de capteurs optiques, ainsi que dans la construction de systèmes de conversion et de stockage d’énergie. En effet, Cao explique : « Le confinement tridimensionnel de la lumière dans des métaux poreux peut améliorer la non-linéarité optique, les interactions lumière-matière, et contrôler le lasing aléatoire ainsi que le dépôt d’énergie ciblé ».

La résolution de cette énigme de plusieurs décennies ouvre de nouvelles perspectives pour la recherche fondamentale et les applications pratiques utilisant la lumière localisée en 3D. C’est une avancée décisive dans notre compréhension de la physique de la lumière et de son interaction avec la matière.

Les implications de cette découverte sont vastes, allant de l’amélioration des technologies optiques existantes à la création de nouvelles méthodes pour manipuler et contrôler la lumière. Cette recherche pourrait aussi conduire à des avancées dans des domaines aussi divers que l’énergie, la médecine et l’informatique.

Source : Nature Physics

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