Forscher beweisen grundlegende Grenzen der Absorption elektromagnetischer Energie

14. März 2024

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von der Duke University

Elektroingenieure der Duke University haben das theoretische fundamentale Limit dafür bestimmt, wie viel elektromagnetische Energie ein transparentes Material mit einer bestimmten Dicke absorbieren kann. Die Erkenntnis wird Ingenieuren helfen, Geräte zu optimieren, die entwickelt wurden, um bestimmte Frequenzen von Strahlung zu blockieren, während andere hindurchgelassen werden, beispielsweise für Anwendungen wie Stealth oder drahtlose Kommunikation.

'Vieles in der Physik des bekannten Universums hat bereits fundamentale Lösungen oder ist zu komplex, um eine genaue Antwort zu erhalten,' sagte Willie Padilla, Professor für Elektrotechnik und Informatik an der Duke University. 'In jedem Bereich eine wirklich neuartige, grundlegende, exakte Lösung wie diese zu finden, ist selten.'

Die Forschung erscheint in Nanophotonics.

Ob beim Bau einer Antenne oder der Entwicklung von Sonnencreme, es gibt viele Fälle, in denen bestimmte Arten von Licht absorbiert werden müssen. Ein Trick, um diese Menge zu maximieren, besteht darin, die Dicke des Materials, das die Energie absorbiert, zu erhöhen.

Allerdings war bisher die erforderliche Dicke für ein transparentes Material, um diese Absorption zu gewährleisten, unbekannt.

Vor mehr als 20 Jahren fand Konstantin N. Rozanov vom Institut für Theoretische und Angewandte Elektrodynamik in Moskau, Russland, heraus, wie viel Licht über einen Bereich von Wellenlängen von einem Gerät einer bestimmten Dicke absorbiert werden konnte, wenn eine Seite mit Metall beschichtet war. In diesem Szenario entsteht eine Begrenzung auf einer Seite, wo alle Lichtstrahlen entweder zurückgeworfen werden oder absorbiert werden, was eine Einschränkung darstellt, die einen bestimmten mathematischen Ansatz ermöglicht, um das Problem zu lösen.

Wenn man jedoch diese Metallkante entfernt und das Licht durchlässt, handelt es sich auf dem elektromagnetischen Spektrum um eine ganz andere Geschichte.

'Rozanov hat einen cleveren Trick angewandt, indem er mit Wellenlängen statt mit Frequenzen gearbeitet hat,' sagte Yang Deng, ein Forschungsassistent in Padillas Labor. 'Aber mehrere Forscher haben seitdem versucht, diesen Ansatz auf das Problem anzuwenden und sind gescheitert.'

Um einen neuen mathematischen Ansatz zu finden, haben Padilla und Deng mit Vahid Tarokh, dem Rhodes Family Professor für Elektrotechnik und Informatik an der Duke University, zusammengearbeitet. Tarokhs Forschung erstreckt sich über eine Vielzahl von Themen und verfolgt neue Formulierungen und Ansätze, um das Beste aus Datensätzen herauszuholen.

Tarokh konnte herausfinden, wie man das Problem so gestalten konnte, dass es gelöst werden konnte, indem er ein Kaninchen aus dem mathematischen Hut zauberte.

'Im Nachhinein ist man immer schlauer, aber selbst Mathematiker nennen diese kreativen Strategien 'Tricks',' sagte Padilla.

Über die Neuartigkeit der Lösung eines lange gesuchten Problems hinaus sagen die Forscher, dass ihre Arbeit praktische Auswirkungen in verschiedenen Bereichen hat. Absorber mit Metallrücken lassen keine Art von elektromagnetischer Energie durch. Es gibt jedoch bestimmte Anwendungen, bei denen man bestimmte Frequenzen blockieren, während andere hindurchgelassen werden sollen.

Zum Beispiel möchten Mobiltelefone möglicherweise bestimmte Arten schädlicher elektromagnetischer Strahlung blockieren, während andere wie GPS oder Bluetooth durchgelassen werden sollen. Das Wissen über die fundamentalen Grenzen dieser Art von Ziel wird Ingenieuren ermöglichen zu wissen, wann es nicht mehr lohnt, ihre Konstruktion weiter zu optimieren.

Mehr Informationen: Willie J. Padilla et al, Fundamental absorption bandwidth to thickness limit for transparent homogeneous layers, Nanophotonics (2024). DOI: 10.1515/nanoph-2023-0920

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