I ricercatori dimostrano i limiti fondamentali dell'assorbimento dell'energia elettromagnetica.

14 marzo 2024

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dalla Duke University

I materiali trasparenti con un dato spessore possono assorbire un limite teorico fondamentale di energia elettromagnetica come determinato dagli ingegneri elettrici della Duke University. Questa nuova comprensione aiuterà gli ingegneri a ottimizzare i loro progetti per bloccare determinate frequenze di radiazioni consentendone il passaggio ad altre. Questo può avere varie applicazioni, come comunicazioni invisibili o wireless.

«Un risultato veramente nuovo, fondamentale e esatto come questo è raro. La maggior parte della fisica dell'universo conosciuto ha già soluzioni fondamentali o è troppo complessa per richiedere risposte esatte", afferma Willie Padilla, professore di ingegneria elettrica e informatica alla Duke.

La ricerca è pubblicata su Nanophotonics.

Esistono molte situazioni in cui è necessario assorbire determinati tipi di luce, ad esempio quando si progetta un'antenna o si sviluppa una protezione solare. Massimizzare questo assorbimento spesso comporta l’aumento dello spessore del materiale che assorbe l’energia. Finora però non si conosceva lo spessore specifico necessario per questo assorbimento in un materiale trasparente.

Oltre due decenni fa, Konstantin N. Rozanov dell’Istituto di elettrodinamica teorica e applicata di Mosca, in Russia, calcolò la luce massima su un intervallo di lunghezze d’onda che un dispositivo di spessore specifico potrebbe assorbire se un lato fosse rivestito di metallo. Questo confine su un lato rifletteva o assorbiva tutta la luce.

Eliminando il bordo metallico e lasciando passare la luce, però, il gioco cambia in termini di spettro elettromagnetico.

"Molti ricercatori hanno tentato, senza riuscirci, di applicare l'approccio utilizzato da Rozanov, ovvero lavorare sulla lunghezza d'onda invece che sulla frequenza", afferma Yang Deng, un assistente di ricerca nel laboratorio di Padilla.

Una collaborazione tra Padilla, Deng e Vahid Tarokh, il professore di ingegneria elettrica e informatica della famiglia Rhodes alla Duke, ha portato a un nuovo approccio matematico per risolvere il problema.

Tarokh riuscì a strutturare il problema in modo tale da renderlo risolvibile, dimostrando una strategia matematica impressionante.

Oltre alla novità della soluzione a questo problema, i ricercatori affermano che esistono applicazioni nel mondo reale. Ad esempio, gli assorbitori supportati da metallo limitano il passaggio di qualsiasi tipo di energia elettromagnetica mentre alcune applicazioni potrebbero richiedere il blocco di determinate frequenze lasciandone passare altre. Ad esempio, i telefoni cellulari potrebbero dover bloccare alcune radiazioni elettromagnetiche dannose consentendo il passaggio di altre, come i segnali GPS o Bluetooth. Con questi parametri in atto, gli ingegneri avranno un quadro più realistico di quando l’ottimizzazione del loro progetto non produrrebbe alcun valore.

Maggiori informazioni su questa ricerca: Willie J. Padilla et al, Fundamental Absorption Band to Thickness Limit for Transparent Homogene Layers, è stato pubblicato su Nanophotonics nel 2024.

Questa storia è stata fornita dalla Duke University.