Des chercheurs prouvent les limites fondamentales de l’absorption de l’énergie électromagnétique


Les ingénieurs électriciens de l’Université Duke ont déterminé la limite théorique fondamentale de la quantité d’énergie électromagnétique qu’un matériau transparent d’une épaisseur donnée peut absorber. Cette découverte aidera les ingénieurs à optimiser les dispositifs conçus pour bloquer certaines fréquences de rayonnement tout en laissant passer d’autres, pour des applications telles que les communications furtives ou 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 », a déclaré Willie Padilla, professeur de génie électrique et informatique à Duke. « Dans n'importe quel domaine, il est rare de trouver un résultat véritablement nouveau, fondamental et précis comme celui-ci. »

La recherche a été publiée en ligne le 8 mars dans la revue Nanophotonique.

Qu'il s'agisse de construire une antenne ou de développer un écran solaire, il existe de nombreux cas où certains types de lumière doivent être absorbés. Une astuce pour maximiser cette quantité consiste à augmenter l’épaisseur du matériau absorbant l’énergie.

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

Il y a plus de 20 ans, Konstantin N. Rozanov de l'Institut d'électrodynamique théorique et appliquée de Moscou, en Russie, a déterminé la plus grande quantité de lumière sur une gamme de longueurs d'onde qu'un dispositif d'une certaine épaisseur pourrait absorber si un côté était recouvert de métal. Ce scénario crée une limite d'un côté où toute la lumière soit réfléchie ou absorbée, fournissant une contrainte qui permet à une certaine approche mathématique de résoudre le problème.

Enlever ce bord métallique et permettre à la lumière de continuer à traverser, cependant, est un cheval d'une couleur totalement différente sur le spectre électromagnétique.

« Rozanov a utilisé une astuce astucieuse en travaillant en longueur d'onde plutôt qu'en fréquence », a déclaré Yang Deng, un assistant de recherche travaillant dans le laboratoire de Padilla. « Mais plusieurs chercheurs ont depuis essayé d'utiliser cette approche pour résoudre ce problème et ont échoué. »

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

Sans entrer trop dans les détails mathématiques, on peut dire que Tarokh a été capable de comprendre comment façonner le problème afin qu'il puisse être résolu, en sortant un lapin d'un chapeau mathématique.

« Le recul est de 20/20, mais même les mathématiciens appellent ces stratégies créatives des « astuces » », a déclaré Padilla.

Au-delà de la nouveauté de résoudre un problème longtemps recherché, les chercheurs affirment que leurs travaux ont des implications pratiques dans plusieurs domaines. Les absorbeurs à support métallique ne laissent passer aucun type d’énergie électromagnétique. Mais il existe certaines applications dans lesquelles vous souhaiterez peut-être bloquer certaines fréquences tout en laissant passer d’autres.

Par exemple, les téléphones portables pourraient vouloir bloquer certains types de rayonnements électromagnétiques nocifs 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 un travail supplémentaire d'optimisation de leur conception n'en vaudra pas la peine.

Cette recherche a été soutenue par le ministère de l'Énergie (DESC0014372).

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