“Veel van de natuurkunde van het bekende universum heeft al fundamentele oplossingen of is te complex om een ​​exact antwoord te krijgen”, zegt Willie Padilla, hoogleraar elektrische en computertechniek bij Duke. "Op welk gebied dan ook is het zeldzaam om een ​​werkelijk nieuw, fundamenteel, exact resultaat als dit te vinden."

Het onderzoek verschijnt in Nanophotonics.

Of het nu gaat om het bouwen van een antenne of het ontwikkelen van zonnebrandcrème, er zijn veel gevallen waarin bepaalde soorten licht moeten worden geabsorbeerd. Een truc om die hoeveelheid te maximaliseren is het vergroten van de dikte van het materiaal dat de energie absorbeert.

De benodigde dikte voor een transparant materiaal om die absorptie te garanderen was echter tot nu toe onbekend.

Meer dan twintig jaar geleden ontdekte Konstantin N. Rozanov van het Instituut voor Theoretische en Toegepaste Elektrodynamica in Moskou, Rusland, het meeste licht over een reeks golflengten dat een apparaat van een bepaalde dikte zou kunnen absorberen als één kant met metaal was bekleed. Dit scenario creëert een grens aan één kant waar al het licht ofwel terugkaatst of wordt geabsorbeerd, waardoor een beperking ontstaat die een bepaalde wiskundige benadering mogelijk maakt om het probleem op te lossen.

Het wegnemen van dat metalen randje en het doorlaten van het licht is echter een paard van een heel andere kleur op het elektromagnetische spectrum.

"Rozanov gebruikte een slimme truc waarbij hij werkte met golflengte in plaats van met frequentie", zegt Yang Deng, een onderzoeksassistent die in Padilla's laboratorium werkt. "Maar verschillende onderzoekers hebben sindsdien geprobeerd deze aanpak voor dit probleem te gebruiken, maar zijn daar niet in geslaagd."

Om met een nieuwe wiskundige aanpak te komen, werkten Padilla en Deng samen met Vahid Tarokh, de Rhodes Family Professor of Electrical and Computer Engineering aan Duke. Het onderzoek van Tarokh omvat een breed scala aan onderwerpen en streeft tegelijkertijd naar nieuwe formuleringen en benaderingen om het maximale uit datasets te halen.

Tarokh wist te bedenken hoe hij het probleem zo vorm kon geven dat het kon worden opgelost, door een konijn uit een wiskundige hoed te trekken.

"Achteraf is het 20/20, maar zelfs wiskundigen noemen deze creatieve strategieën 'trucs'", aldus Padilla.

Naast de nieuwigheid van het oplossen van een lang gezocht probleem, zeggen de onderzoekers dat hun werk praktische implicaties heeft op verschillende gebieden. Absorbers met metalen achterkant laten geen enkele vorm van elektromagnetische energie door. Maar er zijn bepaalde toepassingen waarbij je sommige frequenties wilt blokkeren en andere wilt laten passeren.

Mobiele telefoons willen bijvoorbeeld bepaalde soorten schadelijke elektromagnetische straling kunnen blokkeren terwijl ze andere, zoals GPS of Bluetooth, doorlaten. Door de fundamentele beperkingen van dit soort doelen te kennen, kunnen ingenieurs weten wanneer meer werk aan het optimaliseren van hun ontwerp niet de moeite waard zal zijn.

Meer informatie: Willie J. Padilla et al, Fundamentele absorptiebandbreedte tot diktelimiet voor transparante homogene lagen, Nanofotonica (2024). DOI:10.1515/nanoph-2023-0920

Aangeboden door Duke University