L’informatique de pointe a permis à des chercheurs de résoudre un mystère vieux de plusieurs décennies concernant la localisation de la lumière dans des structures en trois dimensions. L’étude a montré que la lumière peut être piégée ou « localisée » dans des empilements aléatoires de sphères métalliques, ce qui ouvre la voie à des développements potentiels dans le domaine des lasers et des photocatalyseurs. Crédit : Université de Yale
Une équipe de chercheurs a exploité une augmentation remarquable de la capacité de calcul pour résoudre un mystère vieux de plusieurs décennies concernant la possibilité de piéger des ondes optiques dans des structures tridimensionnelles de micro ou nanoparticules emballées de manière aléatoire. Cette découverte révolutionnaire pourrait conduire à des avancées dans le domaine des lasers et des photocatalyseurs, entre autres applications.
Les électrons à l’intérieur d’un matériau peuvent soit se déplacer librement pour conduire le courant, soit être piégés et agir comme des isolants. Cela dépend de la quantité de défauts répartis 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 changé la donne en physique condensée contemporaine. La théorie s’est étendue aux domaines quantique et classique, y compris les électrons, les ondes acoustiques, l’eau et la gravité.
Cependant, la façon dont ce principe joue exactement dans le piégeage ou la localisation des ondes électromagnétiques en trois dimensions n’est pas claire, malgré 40 ans d’études approfondies. Sous la direction du professeur Hui Cao, des chercheurs ont enfin apporté une réponse définitive à la question de savoir si la lumière peut être localisée en trois dimensions. Cette découverte pourrait ouvrir un large éventail de pistes en matière de recherche fondamentale et d’applications pratiques utilisant la lumière localisée en trois dimensions. Les résultats ont été publiés le 15 juin dans la revue Nature Physics.
La recherche de la localisation en 3D des ondes électromagnétiques par Anderson s’est étalée sur plusieurs décennies, avec de nombreuses tentatives et de nombreux échecs. De nombreux rapports expérimentaux ont fait état d’une localisation 3D de la lumière, mais ils ont tous 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 conduit à un débat intense sur la question de savoir si la localisation d’Anderson des ondes électromagnétiques existe même dans les systèmes aléatoires 3D. Comme il est extrêmement difficile d’éliminer tous les artefacts expérimentaux pour obtenir des résultats concluants, Cao et ses collègues ont eu recours à « l’indignité de la simulation numérique », comme l’a dit Philip W. Anderson dans sa conférence du prix Nobel en 1977. Cependant, l’exécution de simulations informatiques de la localisation d’Anderson en trois dimensions s’est longtemps avérée difficile.
« Nous ne pouvions pas simuler de grands systèmes tridimensionnels parce que nous n’avions pas assez de puissance de calcul et de mémoire », a déclaré Cao, titulaire de la chaire John C. Malone de physique appliquée et professeur d’ingénierie électrique et de physique. « Les gens ont essayé diverses méthodes numériques. Mais il n’était pas possible de simuler un système aussi grand pour vraiment montrer s’il y a localisation ou non ».
Mais l’équipe de Cao s’est récemment associée à Flexcompute, une société qui a récemment réussi à accélérer les solutions numériques de plusieurs ordres de grandeur grâce à son logiciel FDTD Tidy3D.
« La vitesse d’exécution du solveur numérique de Flexcompute est stupéfiante », a-t-elle déclaré. « Certaines simulations qui, selon nous, prendraient des jours, peuvent être réalisées en seulement 30 minutes. Cela nous permet de simuler de nombreuses configurations aléatoires différentes, différentes tailles de système et différents paramètres structurels pour voir si nous pouvons obtenir une localisation tridimensionnelle de la lumière. »
Cao a réuni une équipe internationale comprenant son collaborateur de longue date, le professeur Alexey Yamilov de l’université des sciences et technologies du Missouri, et le docteur Sergey Skipetrov de l’université de Grenoble Alpes en France. Ils ont travaillé en étroite collaboration avec le professeur Zongfu Yu de l’université du Wisconsin, le docteur Tyler Hughes et le docteur Momchil Minkov de Flexcompute.
Débarrassée de tous les artefacts qui ont précédemment entaché les données expérimentales, leur étude clôt le long débat sur la possibilité de localiser la lumière en trois dimensions grâce à des résultats numériques précis. Tout d’abord, ils ont montré qu’il est impossible de localiser la lumière dans des agrégats aléatoires tridimensionnels de particules constituées de matériaux diélectriques tels que le verre ou le silicium, ce qui explique l’échec des efforts expérimentaux intenses déployés au cours des dernières décennies. Deuxièmement, ils ont présenté la preuve sans ambiguïté de la localisation par Anderson d’ondes électromagnétiques dans des paquets aléatoires de sphères métalliques.
« Lorsque nous avons vu la localisation d’Anderson dans la simulation numérique, nous avons été ravis », a déclaré M. Cao. « C’était incroyable, compte tenu de la longue quête de la communauté scientifique.
Les systèmes métalliques ont longtemps été ignorés en raison de leur absorption de la lumière. Mais même en tenant compte de la perte de métaux courants tels que l’aluminium, l’argent et le cuivre, la localisation d’Anderson persiste.
« Il est surprenant de constater que même si la perte n’est pas minime, nous pouvons toujours observer la localisation d’Anderson. Cela signifie qu’il s’agit d’un effet très robuste et très fort. »
Outre la résolution de certaines questions de longue date, la recherche ouvre de nouvelles possibilités pour les lasers et les photocatalyseurs.
« Le confinement tridimensionnel de la lumière dans les métaux poreux peut améliorer les non-linéarités optiques, les interactions entre la lumière et la matière, et contrôler l’émission aléatoire de lasers ainsi que le dépôt ciblé d’énergie ». a déclaré Cao. « Nous nous attendons donc à ce qu’il y ait de nombreuses applications.
Référence : « Anderson localization of electromagnetic waves in three dimensions » par Alexey Yamilov, Sergey E. Skipetrov, Tyler W. Hughes, Momchil Minkov, Zongfu Yu et Hui Cao, 15 juin 2023, Nature Physics.
DOI: 10.1038/s41567-023-02091-7