Ученые продемонстрировали новый способ поглощения инфракрасного излучения

Ученые из России (МФТИ) и США продемонстрировал возможность полного поглощения электромагнитного излучения с использованием анизотропного кристалла. Наблюдения обладают фундаментальной важностью для электродинамики и предоставляют исследователям принципиально новый подход к поглощению энергии электромагнитных волн, рассказали ТАСС в МФТИ. Работа опубликована в журнале Physical Review B.

Как поглощается электромагнитное излучение

Классический пример электромагнитного поглотителя, знакомый многим — обычная черная краска. Она выглядит черной именно потому, что значительная часть падающего света поглощается в слое краски и не доходит до наблюдателя. Однако черная краска является сравнительно плохим поглотителем — некоторая доля энергии падающего света (порядка нескольких процентов) всё же отражается в окружающее пространство. Чтобы поглотить падающее излучение полностью, необходимо задействовать явление интерференции. При падении на поглощающую двухслойную систему, если параметры покрытия подобраны верно, отраженные волны компенсируют друг друга — отраженное излучение пропадает вовсе и поглощение становится идеальным (perfect absorption). Такая интерференция называется деструктивной. В своей работе исследователи из России и США показали, что возникновение деструктивной интерференции не является обязательным требованием для идеального поглощения. В качестве конкретной поглощающей системы учёные предложили анизотропный кристалл — гексагональный нитрид бора. Падающее инфракрасное излучение на определенной длине волны без отражения проходит в такой кристалл и полностью поглощается внутри. При этом нет необходимости в каких-либо просветляющих слоях или подложке для возникновения деструктивной интерференции — отраженного излучения просто не возникает, в отличие от изотропной (т.е. одинаковой во всех направлениях) поглощающей среды. На данный момент предлагаемый исследователями подход позволяет достичь полного поглощения только для фиксированного значения длины волны и угла падения, которые определяются электронными свойствами материала, в то время как для практических приложений более интересна возможность поглощать энергию в широком диапазоне длин волн и углов. Однако использование альтернативных сильно анизотропных материалов, например, двуосных поглощающих сред, вероятно, поможет в будущем обойти эти ограничения и сделать данный подход более гибким.

Зачем это нужно

Тем не менее, проведённый эксперимент представляет интерес с фундаментальной точки зрения. Он показывает возможность полного поглощения излучения без вовлечения деструктивной интерференции. Такой эффект даёт новый способ контроля за электромагнитным поглощением. В перспективе такие материалы смогут предоставить больше гибкости при разработке поглощающих устройств и сенсоров, работающих в инфракрасном диапазоне. Эффективное поглощение энергии электромагнитного излучения — краеугольный камень широкого круга практических задач. Прежде всего, поглощение электромагнитной энергии в видимом диапазоне спектра важно для преобразования энергии солнечного излучения в электрическую. Поглощающие материалы в микроволновом диапазоне частот решают не менее важную задачу — они позволяют снизить радиолокационную видимость летательных аппаратов. Кроме того, эффективное поглощение электромагнитных волн важно для применений в области сенсоров, нанохимии, фотодинамической терапии.