Forskere beviser grundlæggende grænser for elektromagnetisk energiabsorption

Elektriske ingeniører ved Duke University har bestemt den teoretiske fundamentale grænse for, hvor meget elektromagnetisk energi et transparent materiale med en given tykkelse kan absorbere. Opdagelsen vil hjælpe ingeniører med at optimere enheder, der er designet til at blokere visse strålingsfrekvenser, mens de tillader andre at passere igennem, til applikationer som stealth eller trådløs kommunikation.

"Meget af fysikken i det kendte univers har allerede grundlæggende løsninger eller er for kompleks til at få et præcist svar," sagde Willie Padilla, professor i elektro- og computerteknik ved Duke. "På et hvilket som helst område er det sjældent at finde et virkelig nyt, grundlæggende, nøjagtigt resultat som dette."

Forskningen vises i Nanophotonics.

Uanset om man bygger en antenne eller udvikler solcreme, er der mange tilfælde, hvor visse typer lys skal absorberes. Et trick til at maksimere denne mængde er at øge tykkelsen af ​​det materiale, der absorberer energien.

Imidlertid var den nødvendige tykkelse for et gennemsigtigt materiale til at give denne absorption ukendt indtil nu.

For mere end 20 år siden fandt Konstantin N. Rozanov fra Instituttet for Teoretisk og Anvendt Elektrodynamik i Moskva, Rusland, ud af det mest lys over en række bølgelængder, som en enhed af en vis tykkelse kunne absorbere, hvis den ene side var foret med metal. Dette scenarie skaber en grænse på den ene side, hvor alt lys enten reflekteres tilbage eller absorberes, hvilket giver en begrænsning, der tillader en vis matematisk tilgang til at løse problemet.

At fjerne den metalkant og lade lyset fortsætte igennem, er imidlertid en hest af en helt anden farve på det elektromagnetiske spektrum.

"Rozanov brugte et smart trick, hvor han arbejdede i bølgelængde i stedet for frekvens," sagde Yang Deng, en forskningsassistent, der arbejder i Padillas laboratorium. "Men flere forskere har siden forsøgt at bruge den tilgang til dette problem og mislykkedes."

For at komme med en ny matematisk tilgang samarbejdede Padilla og Deng med Vahid Tarokh, Rhodes-familieprofessor i elektro- og computerteknik ved Duke. Tarokhs forskning spænder over en bred vifte af emner, mens den forfølger nye formuleringer og tilgange til at få mest muligt ud af datasæt.

Tarokh var i stand til at finde ud af, hvordan man kunne forme problemet, så det kunne løses ved at trække en kanin fra en matematisk hat.

"Bindsight er 20/20, men selv matematikere kalder disse kreative strategier 'tricks'," sagde Padilla.

Ud over det nye med at løse et længe søgt problem, siger forskerne, at deres arbejde har praktiske konsekvenser på flere områder. Metal-backed absorbere vil ikke lade nogen form for elektromagnetisk energi passere igennem. Men der er visse applikationer, hvor du måske ønsker at blokere nogle frekvenser, mens du lader andre passere.

For eksempel vil mobiltelefoner måske være i stand til at blokere visse typer af skadelig elektromagnetisk stråling, mens andre som GPS eller Bluetooth slipper igennem. At kende de grundlæggende grænser for denne type mål vil gøre det muligt for ingeniører at vide, hvornår mere arbejde med at optimere deres design ikke vil være besværet værd.

Flere oplysninger: Willie J. Padilla et al., Fundamental absorptionsbåndbredde til tykkelsesgrænse for transparente homogene lag, Nanofotonik (2024). DOI:10.1515/nanoph-2023-0920

Leveret af Duke University