Совершенный поглотитель электромагнитных волн

Исследователи из Университета Дьюка обнаружили, что идеальный поглотитель электромагнитных волн, который они описали в статье 2017 года, может быть легко преобразован в своего рода «лазер с обращенным временем», известный как когерентный совершенный поглотитель (CPA). Исследование опубликовано в журнале Advanced Optical Materials.

Лазер — это устройство, которое преобразует энергию в когерентный свет, что означает, что световые волны идеально выровнены друг с другом. В обратном порядке CPA, иногда называемый лазером с обращением времени, — это устройство, которое поглощает всю энергию от двух одинаковых электромагнитных волн, воздействуя по ним с обеих сторон в идеальной синхронности. То есть гребни и впадины волн попадают в материал с обеих сторон в одно и то же время.

В 2017 году Вилли Падилья, профессор электротехники и вычислительной техники в Duke, создал первый материал, способный поглощать почти 100 процентов энергии электромагнитной волны, не содержащий даже атома металла. Устройство представляло собой метаматериал — синтетический материал, состоящий из множества отдельных инженерных функций, которые вместе создают свойства, которых нет в природе.

Этот конкретный метаматериал представлял собой циркониевую керамику, построенную в виде поверхности, покрытой ямочками с цилиндрами, подобными лицевой части кирпичика Lego. После компьютерного моделирования свойств устройства путем изменения размера и расстояния между цилиндрами, исследователи поняли, что на самом деле они создали более фундаментальный тип CPA.

«Раньше мы изучали эту систему как идеальный поглотитель, но теперь мы выяснили, что это устройство также можно настроить как CPA», — сказал Падилья. «Наше исследование показало, что эти, казалось бы, разные области на самом деле одно и то же».

Все CPA, описанные в литературе, имеют только один режим. Они работают, когда входящие электромагнитные волны либо идеально выровнены, либо совершенно не синхронизированы. Падилья и Кебин Фан, доцент в лаборатории Падиллы, обнаружили, что их идеальный поглотитель на самом деле представляет собой CPA с двумя перекрывающимися режимами: он может поглощать как выровненные, так и не выровненные волны.

Изменяя параметры материала таким образом, чтобы два режима больше не перекрывались, ученые смогли показать, что он может легко стать таким же, как в настоящее время описан в литературе, но с гораздо большей универсальностью.

«Типичные СРА имеют только одну переменную, толщину материала», сказал Кебин Фан. «У нас их три: радиус цилиндров, высота и периодичность. Это дает нам гораздо больше возможностей для настройки этих режимов и размещения их в частотном спектре там, где мы хотим, что дает нам большую гибкость для настройки CPA».

В статье исследователи показывают, что их устройство может переключаться между поглощением всех фаз электромагнитных волн и только синхронно друг с другом только путем увеличения высоты цилиндров с 1,1 миллиметра до 1,4. При такой легкости перехода они считают, что должна быть возможность создать материал, который может динамически переключаться между ними.

«Мы еще этого не сделали», — сказал Вилли Падилья. «Это сложно, но это есть в нашей повестке дня».

Jonathan Y. Suen et al, A Zero-Rank, Maximum Nullity Perfect Electromagnetic Wave Absorber, Advanced Optical Materials (2019). DOI: 10.1002/adom.201801632