Un equipo de autores del MIPT, la Universidad Estatal de Kansas y el Laboratorio de Investigación Naval de EE. UU. Han demostrado que es posible absorber completamente la radiación electromagnética utilizando un cristal anisotrópico. Las observaciones son de fundamental importancia para la electrodinámica y proporcionarán a los investigadoresnuevo método para absorber la energía de las ondas electromagnéticas. El artículo ha sido publicado en Revisión física B .
La absorción efectiva de la energía de la radiación electromagnética es la piedra angular de una amplia gama de aplicaciones prácticas. La recolección de energía electromagnética en el espectro visible es muy importante para la energía fotovoltaica: la conversión de la energía solar en electricidad de corriente continua. Materiales absorbentes en el microondasEl rango de frecuencias tiene una aplicación igualmente importante: pueden reducir la visibilidad del radar de una aeronave. La absorción efectiva de las ondas electromagnéticas también es importante para su uso en la detección, la nanoquímica y la terapia fotodinámica.
Un ejemplo clásico de un absorbente electromagnético que es familiar para muchas personas es la pintura negra ordinaria. Se ve negra porque una cantidad significativa de la luz que cae sobre ella se absorbe en la capa de pintura y no llega al observador. Sin embargo,la pintura negra es un absorbente relativamente pobre: una cierta cantidad de energía de la luz incidente generalmente un pequeño porcentaje todavía se refleja en el espacio circundante.
Para absorber completamente la radiación incidente, necesitamos usar interferencia. Una capa de material absorbente se coloca sobre un sustrato reflectante o se combina con un recubrimiento antirreflectante especialmente diseñado. De acuerdo con las leyes de la electrodinámica clásica, surge unsecuencia de ondas que tienen diferentes amplitudes y fases que se reflejan desde la estructura. Dicha serie de reflejos también ocurre en una película de jabón. Cuando la luz blanca cae sobre la película, vemos luz reflejada de cierto color dependiendo del grosor de la película.Cuando la luz cae sobre un sistema de absorción, si los parámetros de recubrimiento se han elegido correctamente, las ondas reflejadas se cancelan entre sí: la radiación reflejada se desvanece por completo y la absorción se vuelve perfecta. Este tipo de interferencia se denomina interferencia destructiva.muy sensible a la geometría de la estructura, con la más mínima variación en el grosor o los índices de refracción de las capas, la absorciónya no es perfecto y reaparece la radiación reflejada.
En su artículo, los investigadores de Rusia y EE. UU. Mostraron que la interferencia destructiva no es un requisito necesario para una absorción perfecta. Los científicos utilizaron un cristal anisotrópico - nitruro de boro hexagonal - como su sistema de absorción específico.
Este medio pertenece a la clase de cristales únicos de van der Waals que consisten en capas atómicas unidas por fuerzas de van der Waals de capas adyacentes. Las fuerzas de Van der Waals se producen entre átomos y moléculas que son eléctricamente neutrales pero poseen un momento dipolar.las cargas en ellos no están distribuidas uniformemente. Debido a esta disposición de la red, la permitividad dieléctrica del cristal en el rango infrarrojo medio longitud de onda de aproximadamente 10 micras difiere considerablemente para las direcciones dentro y fuera del plano -- se vuelve anisotrópico y no se describe por un solo número, sino por un tensor - una matriz de números cada número es responsable de su propia dirección. Es el tensor de permitividad dieléctrica el que determina cómo se refleja la luz desde la superficie decualquier sustancia
Debido a las propiedades inusuales de su red cristalina, el nitruro de boro hexagonal ya ha encontrado una serie de aplicaciones en óptica y nanoelectrónica. En este caso particular, la fuerte anisotropía de la permitividad dieléctrica funciona a nuestro favor y ayuda a absorber las ondas electromagnéticas.La radiación infrarroja a una determinada longitud de onda ingresa al cristal sin reflejos y se absorbe completamente en el medio. No hay necesidad de capas antirreflectantes o un sustrato para proporcionar interferencia destructiva; la radiación reflejada simplemente no ocurre, a diferencia de un isotrópico es decir, idéntico en todas las direcciones medio absorbente
"La capacidad de absorber completamente la radiación electromagnética es una de las áreas clave de enfoque en la electrodinámica. Se cree que se necesita interferencia destructiva para hacer esto, lo que requiere el uso de recubrimientos antirreflectantes, sustratos y otras estructuras. Nuestrolas observaciones indican que la interferencia no es un requisito obligatorio y que se puede lograr una absorción perfecta utilizando sistemas más simples ", dice Denis Baranov, el autor correspondiente del artículo.
Para la observación experimental del fenómeno predicho, los investigadores cultivaron una muestra ópticamente gruesa de nitruro de boro hexagonal y midieron el espectro de reflectancia en el rango infrarrojo medio. En las longitudes de onda y ángulos de incidencia predichos analíticamente, los autores observaron una fuerte caídaen la señal reflejada, menos del 10-4 de la energía incidente fue reflejada por el sistema. En otras palabras, más del 99.99% de la energía de la onda incidente fue absorbida en el cristal anisotrópico.
El enfoque propuesto por los investigadores actualmente solo es capaz de lograr una absorción perfecta para una longitud de onda fija y un ángulo de incidencia, ambos determinados por las propiedades electrónicas del material. Sin embargo, para aplicaciones prácticas, la posibilidad de absorción de energía en unEl amplio rango de longitudes de onda y ángulos de incidencia es de mayor interés. El uso de materiales alternativos fuertemente anisotrópicos, como los medios de absorción biaxiales, probablemente ayudará a superar estas limitaciones en el futuro, haciendo que este enfoque sea más flexible.
Sin embargo, este experimento es de interés desde un punto de vista fundamental. Demuestra que es posible absorber completamente la radiación sin la incorporación de interferencia destructiva. Este efecto ofrece una nueva herramienta para controlar la absorción electromagnética. En el futuro, estos materialespodría dar un mayor nivel de flexibilidad al diseñar dispositivos de absorción y sensores que operan en el rango infrarrojo.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Instituto de Física y Tecnología de Moscú . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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