Elektroingenjörer vid Duke University har bestämt den teoretiska grundläggande gränsen för hur mycket elektromagnetisk energi ett transparent material med en given tjocklek kan absorbera. Upptäckten kommer att hjälpa ingenjörer att optimera enheter som är utformade för att blockera vissa frekvenser av strålning samtidigt som de låter andra passera, för applikationer som smyg eller trådlös kommunikation.
"Mycket av fysiken i det kända universum har redan grundläggande lösningar eller är för komplexa för att få ett exakt svar", säger Willie Padilla, professor i el- och datorteknik vid Duke. "Inom alla områden är det sällsynt att hitta ett riktigt nytt, grundläggande, exakt resultat som detta."
Forskningen visas i Nanophotonics.
Oavsett om man bygger en antenn eller utvecklar solskydd, finns det många tillfällen där vissa typer av ljus måste absorberas. Ett knep för att maximera den mängden är att öka tjockleken på materialet som absorberar energin.
Den nödvändiga tjockleken för att ett transparent material skulle ge denna absorption var dock okänd tills nu.
För mer än 20 år sedan räknade Konstantin N. Rozanov från Institutet för teoretisk och tillämpad elektrodynamik i Moskva, Ryssland, ut det mesta ljuset över ett antal våglängder som en enhet med en viss tjocklek kunde absorbera om en sida var fodrad med metall. Det här scenariot skapar en gräns på ena sidan där allt ljus antingen reflekteras tillbaka eller absorberas, vilket ger en begränsning som tillåter ett visst matematiskt tillvägagångssätt för att knäcka problemet.
Att ta bort den metallkanten och låta ljuset fortsätta igenom är dock en häst av en helt annan färg på det elektromagnetiska spektrumet.
"Rozanov använde ett smart trick där han arbetade i våglängd istället för frekvens", säger Yang Deng, en forskningsassistent som arbetar i Padillas laboratorium. "Men flera forskare har sedan dess försökt använda det tillvägagångssättet för detta problem och misslyckats."
För att komma på ett nytt matematiskt tillvägagångssätt, samarbetade Padilla och Deng med Vahid Tarokh, Rhodes familjeprofessor i elektro- och datorteknik vid Duke. Tarokhs forskning spänner över ett brett spektrum av ämnen samtidigt som de söker nya formuleringar och metoder för att få ut det mesta av datamängder.
Tarokh kunde ta reda på hur man skulle forma problemet så att det kunde lösas genom att dra en kanin från en matematisk hatt.
"Bindsight är 20/20, men även matematiker kallar dessa kreativa strategier för 'trick'", sa Padilla.
Utöver det nya med att lösa ett länge eftersökt problem, säger forskarna att deras arbete har praktiska konsekvenser inom flera områden. Absorbenter med metallstöd släpper inte igenom någon typ av elektromagnetisk energi. Men det finns vissa applikationer där du kanske vill blockera vissa frekvenser samtidigt som du låter andra passera.
Till exempel kanske mobiltelefoner vill kunna blockera vissa typer av skadlig elektromagnetisk strålning samtidigt som andra som GPS eller Bluetooth släpps igenom. Att känna till de grundläggande gränserna för den här typen av mål gör det möjligt för ingenjörer att veta när mer arbete med att optimera sin design inte kommer att vara värt ansträngningen.
Mer information: Willie J. Padilla et al, Fundamental absorptionsbandbredd till tjockleksgräns för transparenta homogena skikt, Nanofotonik (2024). DOI:10.1515/nanoph-2023-0920
Tillhandahålls av Duke University
