نجح علماء في حل لغز استمر لعقود من الزمن حول إمكانية احتجاز الضوء بشكل فعال في غابة ثلاثية الأبعاد من الجسيمات المجهرية.
وباستخدام طريقة جديدة لسحق كميات ضخمة في نموذج لتفاعلات الجسيمات، كشف فريق من علماء الفيزياء في الولايات المتحدة وفرنسا عن الظروف التي يمكن في ظلها إيقاف موجة من الضوء بسبب عيوب في النوع الصحيح من المواد.
ويُعرف باسم توطين أندرسون، على اسم عالم الفيزياء النظرية الأمريكي فيليب دبليو أندرسون، حيث يمكن أن تصبح الإلكترونات محاصرة (موضعية) في مواد غير مرتبة ذات تشوهات موزعة عشوائيا. وكان اقتراحه في عام 1958 لحظة مهمة في فيزياء المادة المكثفة المعاصرة، حيث تم تطبيقه عبر ميكانيكا الكم وكذلك الميكانيكا الكلاسيكية.
وتزداد الهوية الكمومية الشبيهة بالموجة للجسيم فوضوية، ما يجبر الإلكترون على التوقف ودوران المادة في عازل.
ويبدو أن شيئا مشابها يحدث لأن الموجات الكهرومغناطيسية تشكل الضوء من خلال بعض المواد، على الأقل في بعد واحد أو بعدين. حتى الآن، لم يتمكن أحد من معرفة ما إذا كانت الفيزياء تتخذ أبعادا ثلاثية (ليس من خلال قلة المحاولة).
وأخيرا، أدى التقدم في برامج الحساب والمحاكاة العددية إلى حل اللغز.
وتقول الفيزيائية التطبيقية والمهندسة الكهربائية هوي كاو، من جامعة ييل في كونيتيكت: “لم نتمكن من محاكاة أنظمة كبيرة ثلاثية الأبعاد لأننا لا نمتلك ما يكفي من قوة الحوسبة والذاكرة. كان الناس يجربون طرقا عددية مختلفة. لكن لم يكن من الممكن محاكاة مثل هذا النظام الكبير لإظهار ما إذا كان هناك توطين أم لا”.
وباستخدام أداة جديدة تسمى FDTD Software Tidy3D، تمكنت كاو وزملاؤها من إجراء حسابات تستغرق عادة أياما في 30 دقيقة فقط، ما أدى إلى تسريع عملية المحاكاة. وتستخدم الأداة نسخة محسّنة من خوارزمية المجال الزمني للفرق المحدود (FDTD)، والتي تقسم المساحات إلى شبكات وتحل المعادلات عند كل نقطة شبكة.
وتمكّن البرنامج أيضا من اختبار تكوينات وأحجام ومعايير هيكلية مختلفة للنظام. وأظهرت نتائج المحاكاة العددية التي حصل عليها الباحثون خلوها من القطع التي كانت إشكالية في الدراسات السابقة.
وما وجده الباحثون هو أنه لا يمكن توطين الضوء ثلاثي الأبعاد في مواد عازلة مثل الزجاج أو السيليكون، وهو ما قد يفسر سبب حيرة العلماء لفترة طويلة. ومع ذلك، كان هناك دليل رقمي واضح على توطين 3D Anderson في عبوات عشوائية من المجالات المعدنية الموصلة.
وتقول كاو: “عندما رأينا توطين أندرسون في المحاكاة العددية، شعرنا بسعادة غامرة. كان أمرا لا يصدق، مع الأخذ في الاعتبار أنه كان هناك مثل هذا السعي الطويل من قبل المجتمع العلمي”.
وتعطي النتائج العلماء فكرة أفضل عن مكان توجيه أبحاثهم في المستقبل، وفهما أكبر لكيفية حدوث توطين أندرسون ثلاثي الأبعاد في أنواع مختلفة من المواد.
وسيسعى جزء من هذا الجهد البحثي إلى مراقبة التأثير تجريبيا، وهو الدليل الذي ظل حتى الآن “بعيد المنال” للعلماء. واقترحت كاو تجربة واحدة محتملة يقولون إنها ستتجنب المزالق التجريبية السابقة، والتي يأملون أنها “تقدم علامة منبهة عن توطين أندرسون”.
علاوة على ذلك، تتضمن بعض المجالات التي قد يكون الاكتشاف فيها مهما تطوير المستشعرات الضوئية، وبناء أنظمة تحويل الطاقة وتخزينها. وفي الوقت الحالي، نعلم أن توطين أندرسون يمكن أن يعمل في ثلاثة أبعاد، بعد حوالي 65 عاما من تخيله لأول مرة.
