Investigadores demuestran los límites fundamentales de la absorción de energía electromagnética

14 de marzo de 2024

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por la Universidad de Duke

Los ingenieros eléctricos de la Universidad de Duke han determinado el límite teórico fundamental de cuánta energía electromagnética puede absorber un material transparente con un grosor dado. El hallazgo ayudará a los ingenieros a optimizar dispositivos diseñados para bloquear ciertas frecuencias de radiación mientras permiten que otras pasen, para aplicaciones como sigilo o comunicaciones inalámbricas.

'Gran parte de la física del universo conocido ya tiene soluciones fundamentales o son demasiado complejas para obtener una respuesta exacta,' dijo Willie Padilla, profesor de ingeniería eléctrica e informática en Duke. 'En cualquier campo, encontrar un resultado verdaderamente nuevo, fundamental y exacto como este es raro'.

La investigación aparece en Nanofotónica.

Ya sea construyendo una antena o desarrollando protector solar, hay muchas instancias en las que ciertos tipos de luz deben ser absorbidos. Un truco para maximizar esa cantidad es aumentar el grosor del material que absorbe la energía.

Sin embargo, hasta ahora se desconocía el grosor necesario para que un material transparente proporcione esa absorción.

Hace más de 20 años, Konstantin N. Rozanov, del Instituto de Electro- y Magnetodinámica Teórica y Aplicada en Moscú, Rusia, descubrió la cantidad máxima de luz en un rango de longitudes de onda que un dispositivo de cierto grosor podía absorber si un lado estaba forrado con metal. Este escenario crea un límite en un lado donde toda la luz se refleja de vuelta o se absorbe, lo que proporciona una restricción que permite un cierto enfoque matemático para resolver el problema.

Eliminar ese borde de metal y permitir que la luz continúe su camino, sin embargo, es algo completamente distinto en el espectro electromagnético.

'Rozanov usó un truco ingenioso donde trabajó en longitudes de onda en lugar de frecuencia,' dijo Yang Deng, un asistente de investigación que trabaja en el laboratorio de Padilla. 'Pero varios investigadores han intentado usar ese enfoque para este problema y han fallado.'

Para desarrollar un nuevo enfoque matemático, Padilla y Deng colaboraron con Vahid Tarokh, Profesor de la Familia Rhodes de Ingeniería Eléctrica e Informática en Duke. La investigación de Tarokh abarca una amplia gama de temas mientras persigue nuevas formulaciones y enfoques para aprovechar al máximo los conjuntos de datos.

Tarokh logró descifrar cómo dar forma al problema para que pudiera resolverse, sacando un conejo de un sombrero matemático.

'Mirar hacia atrás es fácil, pero incluso los matemáticos llaman a estas estrategias creativas 'trucos',' dijo Padilla.

Más allá de la novedad de resolver un problema largamente buscado, los investigadores dicen que su trabajo tiene implicaciones prácticas en varias áreas. Los absorbentes con respaldo de metal no permitirán que pase ningún tipo de energía electromagnética. Pero hay ciertas aplicaciones donde es posible que desee bloquear algunas frecuencias mientras deja pasar otras.

Por ejemplo, los teléfonos celulares podrían querer bloquear ciertos tipos de radiación electromagnética dañina mientras permiten que pasen otras como GPS o Bluetooth. Conocer los límites fundamentales de este tipo de objetivo permitirá a los ingenieros saber cuándo más trabajo para optimizar su diseño no valdrá la pena.

Más información: Willie J. Padilla et al, Límite de grosor para la banda de absorción fundamental de capas homogéneas transparentes, Nanofotónica (2024). DOI: 10.1515/nanoph-2023-0920

Proporcionado por la Universidad de Duke