Chercheurs prouvent les limites fondamentales de l'absorption d'énergie électromagnétique

14 mars 2024

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par Duke University

Les ingénieurs électriciens de l'Université Duke ont déterminé la limite fondamentale théorique pour la quantité d'énergie électromagnétique qu'un matériau transparent d'une certaine épaisseur peut absorber. Cette découverte aidera les ingénieurs à optimiser les dispositifs conçus pour bloquer certaines fréquences de rayonnement tout en permettant à d'autres de passer à travers, pour des applications telles que l'invisibilité ou les communications sans fil.

« Une grande partie de la physique de l'univers connu a déjà des solutions fondamentales ou est trop complexe pour obtenir une réponse exacte », déclare Willie Padilla, professeur de génie électrique et informatique à Duke. « Dans n'importe quel domaine, trouver un résultat vraiment novateur, fondamental et précis comme celui-ci est rare. »

La recherche est publiée dans Nanophotonique.

Que ce soit pour construire une antenne ou développer un écran solaire, il y a de nombreuses occasions où certains types de lumière doivent être absorbés. Une astuce pour maximiser cette quantité est d'augmenter l'épaisseur du matériau absorbant l'énergie.

Cependant, l'épaisseur nécessaire pour qu'un matériau transparent fournisse cette absorption était inconnue jusqu'à présent.

Il y a plus de 20 ans, Konstantin N. Rozanov de l'Institut de l'électrodynamique théorique et appliquée à Moscou, en Russie, a calculé la quantité maximale de lumière sur une plage de longueurs d'onde qu'un dispositif d'une certaine épaisseur pouvait absorber si un côté était doublé de métal. Ce scénario crée une limite d'un côté où toute la lumière soit réfléchit en arrière, soit est absorbée, fournissant une contrainte qui permet une certaine approche mathématique pour résoudre le problème.

Retirer ce bord en métal et laisser passer la lumière à travers, cependant, est une toute autre affaire sur le spectre électromagnétique.

« Rozanov a utilisé un astuce ingénieuse en travaillant dans la longueur d'onde au lieu de la fréquence », explique Yang Deng, un assistant de recherche travaillant dans le laboratoire de Padilla. « Mais plusieurs chercheurs ont depuis tenté d'utiliser cette approche à ce problème et ont échoué. »

Pour trouver une nouvelle approche mathématique, Padilla et Deng ont collaboré avec Vahid Tarokh, le professeur de génie électrique et informatique de la famille Rhodes à Duke. La recherche de Tarokh couvre un large éventail de sujets tout en cherchant de nouvelles formulations et approches pour tirer le meilleur parti des ensembles de données.

Tarokh a réussi à façonner le problème pour qu'il puisse être résolu, sortant un lapin de son chapeau mathématique.

« On voit tout plus clair en arrière, mais même les mathématiciens appellent ces stratégies créatives 'astuces' », dit Padilla.

Outre le caractère novateur de la résolution d'un problème longtemps recherché, les chercheurs affirment que leur travail a des implications pratiques dans plusieurs domaines. Les absorbeurs revêtus de métal ne laisseront passer aucune forme d'énergie électromagnétique. Mais il y a certaines applications où vous pourriez vouloir bloquer certaines fréquences tout en laissant passer d'autres.

Par exemple, les téléphones cellulaires pourraient vouloir bloquer certains types de rayonnements électromagnétiques dangereux tout en laissant passer d'autres comme le GPS ou le Bluetooth. Connaître les limites fondamentales de ce type d'objectif permettra aux ingénieurs de savoir quand donner plus d'efforts à l'optimisation de leur conception ne vaudra pas la peine.

Plus d'informations: Willie J. Padilla et al, Bande passante d'absorption fondamentale pour la limite d'épaisseur des couches homogènes transparentes, Nanophotonics (2024). DOI: 10.1515/nanoph-2023-0920

Fourni par Université Duke