科学家们解决了一个长达数十年的谜题：光是否可以被有效地捕获在 3D 微观粒子森林中。
美国和法国的一组物理学家利用一种在粒子相互作用模型中计算大量数据的新方法，揭示了在适当的材料中存在缺陷时，光波可能会停止的条件。
被称为安德森本地化，根据美国理论物理学家菲利普·W·安德森（Philip W. Anderson）的说法，电子可以被捕获（局域化）在具有随机分布异常的无序材料中。它于 1958 年提出，是当代凝聚态物理学的一个重要时刻，适用于量子力学和经典力学。
在经典领域中，我们想象一个点状粒子在被缺陷散射时，会像弹球一样穿过迷宫弹跳，而粒子的波状量子身份变得越来越混乱，迫使电子停止并转动将材料制成绝缘体。
当构成光的电磁波至少在一维或二维中穿过某些物质时，似乎会发生类似的事情。但到目前为止，还没有人能够弄清楚物理学是否在三维空间中成立（不是通过缺乏尝试）。
最后，计算软件和数值模拟的进步意味着这个谜团已经被解开。
“我们无法模拟大型三维系统，因为我们没有足够的计算能力和内存，”说来自康涅狄格州耶鲁大学的应用物理学家和电气工程师 Hui Cao。
“人们一直在尝试各种数值方法。但不可能模拟这么大的系统来真正显示是否存在本地化。”
使用一个名为FDTD 软件 Tidy3D曹和她的同事只需 30 分钟就能完成通常需要几天时间的计算，从而加快了模拟过程。该工具使用了优化版本时域有限差分(FDTD) 算法，将空间分割成网格并求解每个网格点的方程。
该软件还可以对不同的系统配置、尺寸和结构参数进行测试。研究人员获得的数值模拟结果表明没有出现问题的伪影。以前的研究。
研究人员发现，光无法在玻璃或硅等介电（绝缘）材料中以 3D 方式定位，这也许可以解释为什么这个问题长期以来一直困扰着科学家。然而，有明确的数字证据表明 3D 安德森定位在导电金属球的随机堆积中。
“当我们在数值模拟中看到安德森定位时，我们很兴奋，”说曹。 “考虑到科学界长期以来的追求，这真是令人难以置信。”
这些结果让科学家们更好地了解未来的研究方向，并更好地了解 3D 安德森定位在不同类型的材料中可能发生或不发生的情况。
该研究工作的一部分将寻求通过实验观察这种效应，迄今为止，科学家们仍然“难以捉摸”证据。曹和同事提出了一项可能的实验他们说将避免过去的实验陷阱，他们希望“为安德森本地化提供一个明显的迹象”。
进一步来说，这一发现可能具有重要意义的一些领域包括光学传感器的开发以及能量转换和存储系统的构建。不过，就目前而言，我们知道安德森定位可以在三个维度上发挥作用，距离首次设想大约 65 年。
“多孔金属中的三维光限制可以增强光学非线性、光与物质的相互作用，并控制随机激光以及有针对性的能量沉积，”说曹。 “所以我们预计会有很多应用程序。”
该研究发表于自然物理学。
