Международная группа физиков впервые смогла получить убедительные доказательства локализации электромагнитной волны в трёхмерных материалах. Грубо говоря, свет «заморозили» в объёме материала. Открытие сделано на цифровой модели благодаря значительно возросшим вычислительным мощностям и в перспективе позволит поставить физический эксперимент, а это путь к прорывам в оптике, лазерах и в других областях.

Источник изображения: Pixabay

Строго говоря, исследователи искали доказательства существования так называемого перехода или локализации Андерсона. Это явление ещё в 1958 году теоретически обосновал американский физик-теоретик Филип В. Андерсон, за что в 1977 году он был награждён Нобелевской премией по физике. Явление стало важнейшим в описании физики конденсированных сред как для квантовой, так и для классической механики.

Учёный объяснил, что в зависимости от случайного распределения дефектов в материале электроны будут либо двигаться, создавая электрический ток, либо попадут в ловушки из дефектов и остановятся там (станут локализированными) и тогда материал будет демонстрировать свойства изолятора (диэлектрика). Как в аналогичных условиях ведут себя электромагнитные волны, до конца было неясно. В одном или двух измерениях свет демонстрировал похожие свойства, но для объёмных материалов это явление не было обнаружено.

Новые компьютеры и оптимизированное программное обеспечение (FDTD Software Tidy3D) позволили проводить колоссальные по объёму расчёты всего за 30 минут вместо многих дней. Модель показала, что для стекла и кремния явление не обнаруживается, что стало простым объяснением, почему десятилетия экспериментов с этими материалами на дали результата. Зато для объёмного материала из металлических наносфер расчёты неожиданно показали, что электромагнитная волна действительно локализуется в пространстве.

Свет, «замороженный» в объёме материала. Цифровая модель явления. Источник изображения: Йельский университет

Моделирование подтвердило, что свет (как частный случай электромагнитных волн) можно заставить взаимодействовать с объёмным материалом. Это позволит открыть новые фотокатализаторы, продвинуться в области лазеров (создавая продвинутые резонаторы и прочее), а также совершить открытия в области накопления и хранения энергии.

«Трёхмерное удерживание света в пористых металлах может усилить оптическую нелинейность, взаимодействие света и материи, позволит управлять случайным свечением и целенаправленным осаждением энергии, — говорят исследователи. — Мы ожидаем, что у этого явления может быть множество применений».

По данным проведённого недавно исследования, световое загрязнение ночного неба, вызываемое искусственными источниками света, продолжает всё сильнее сокращать количество звёзд, которые могут видеть наблюдатели в городах Земли. Если 18 лет назад среднестатистический наблюдатель в городе мог бы увидеть 250 точек на ночном небе, то теперь — только 100. Исследование основано на информации, полученной от тысяч учёных со всего мира.

Источник изображения: Jackson Hendry/unsplash.com

Причина заключается в беспрецедентном увеличении интенсивности светового загрязнения, вызываемого искусственным городским освещением. По данным учёных, средний ежегодный рост яркости ночного неба составляет 9,6 %, темпы намного выше, чем регистрировались раньше. Осветление неба происходит в разных регионах неравномерно. Если в Европе темпы прироста составляют 6,5 % в год, то в Северной Америке — 10,4 %. По словам ведущего автора исследования Кристофера Кибы (Christopher Kyba) из Немецкого исследовательского центра геофизических исследований GFZ, «исчезновение» звёзд с небосвода происходит «драматическими темпами».

Исследование проводится как учёными Немецкого исследовательского центра геофизических исследований GFZ, так и Рурского университета в Бохуме, а также NOIRLab Национального научного фонда США. Исследование, названное «Globe at Night» Citizen Science Project, включало 50 тыс. наблюдений ночного неба невооружённым взглядом, сделанных волонтёрами между 2011 и 2022 годами.

Известно, что недостаток темноты вызывает обеспокоенность не только у профессиональных астрономов. По данным исследователей, увеличение интенсивности ночного освещения негативно влияет на состояние людей и животных (как дневных, так и ночных) и даже «частично разрушает культурное наследие». По словам учёных, световое загрязнение ночного неба ранее в масштабах планеты не измерялось, но существуют оценки, основанные на показаниях спутников. Впрочем, они показывали, что в большинстве частей Европы и Северной Америки уровень загрязнения вышел на плато и даже слегка уменьшился. Новые исследования продемонстрировали, что оценки, похоже, оказались неправильными.

Источник изображения: Pawel Nolbert/unsplash.com

По словам Кибы, спутники более всего чувствительны к свету, направленному вверх, но существует ещё и «горизонтальный» свет, на который приходится большая часть ответственности за отсветление ночного неба. Другими словами, если наружная реклама или фасадное освещение станет масштабнее или ярче, небо будет подсвечиваться сильнее для наблюдателя с Земли, хотя спутники не отметят большой разницы. Кроме того, утверждается, что сенсоры спутников менее чувствительны к излучению LED-элементов, в последнее время получивших повсеместное распространение взамен применявшихся ранее ламп. При этом синий свет, активно излучаемый LED, интенсивно загрязняет ночное небо. И именно его почти не замечают спутники из числа способных заниматься мониторингом всей планеты одновременно.

Учёные отметили, что недостатком исследования является нехватка данных из развивающихся стран, где изменения могут происходить ещё более стремительно. Результаты исследования были опубликованы в журнале Science.