Коллектив авторов из МФТИ, Университета штата Канзас и Исследовательской лаборатории военно-морского флота США продемонстрировал возможность полного поглощения электромагнитного излучения с использованием анизотропного кристалла нитрида бора. Наблюдения важны для электродинамики и дают исследователям принципиально новый подход к поглощению энергии электромагнитных волн. Работа опубликована в журнале Physical Review B.
ффективное поглощение энергии электромагнитного излучения необходимо для широкого круга практических задач. Материалы, поглощающие излучение, используются при построении солнечных батарей, при создании различных чувствительных сенсоров, а также для решения задач маскировки — например, для того, чтобы скрыть летательные аппараты от радаров.
В своей работе исследователи из России и США показали, что возникновение деструктивной интерференции (механизм, который традиционно используется в поглощающих системах) не является обязательным требованием для идеального поглощения. В качестве конкретной поглощающей системы учёные использовали анизотропный кристалл – гексагональный нитрид бора, и показали, что в инфракрасном диапазоне предложенный материал поглощает 99.99% всего излучения.
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.
В современных структурах, чтобы поглотить падающее излучение полностью, чаще всего задействуют явление интерференции. Слой поглощающего вещества помещается на отражающую подложку или совмещается со специально подобранным антиотражающим покрытием. При этом, согласно законам классической электродинамики, возникает последовательность отраженных от структуры волн различной амплитуды и фазы — структура порождает серию отражённых волн, накладывающихся друг на друга. Если параметры покрытия подобраны верно, отраженные волны компенсируют друг друга — отраженное излучение пропадает вовсе и поглощение становится идеальным (perfect absorption). Такая интерференция называется деструктивной. Поглощение в таких системах очень чувствительно к геометрии структуры. При малейшем нарушении толщин или показателей преломления слоев явление пропадает и появляется отраженное излучение.
В своей работе авторы продемонстрировали, что можно создать идеально поглощающий материал, работающий по другому принципу, без интерференции, на основе анизотропного кристалла. Такой кристалл принадлежит к группе уникальных ван-дер-ваальсовых кристаллов, которые состоят из атомарных слоев, удерживаемыми силами Ван-дер-Ваальса со стороны соседних слоёв. Силы Ван-дер-Ваальса возникают между атомами и молекулами, которые электрически нейтральны, но обладают дипольным моментом — заряды в них распределены неравномерно. Вследствие такого устройства кристаллической решетки диэлектрическая проницаемость кристалла в среднем инфракрасном диапазоне (длина волны ~ 10 мкм) сильно различается в направлении вдоль и поперёк атомарных слоёв — становится анизотропной и описывается не одним числом, а тензором — матрицей чисел (каждое число отвечает за своё направление). В свою очередь, именно тензор диэлектрической проницаемости определяет, как происходит отражение света от поверхности какого-либо вещества.
Благодаря необычным свойствам кристаллической решетки гексагональный нитрид бора уже нашел ряд применений в оптике и наноэлектронике. В данном случае, сильная анизотропия диэлектрической проницаемости играет нам на руку и помогает поглощать электромагнитные волны. Падающее инфракрасное излучение на определенной длине волны без отражения проходит в 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.
“Возможность полностью поглощать электромагнитное излучение — одна из ключевых задач электродинамики. Принято считать, что для этого требуется явление деструктивной интерференции и, как следствие, использование антиотражающих покрытий, подложек или других структур. Наши наблюдения говорят о том, что требование интерференции необязательно, и полное поглощение может быть достигнуто в более простых системах,” — говорит Денис Баранов, первый автор статьи.
Для экспериментального наблюдения предсказанного явления исследователи вырастили оптически толстый образец гексагонального нитрида бора и измерили спектр отражения в среднем инфракрасном диапазоне. При значениях длины волны и угла падения, предсказанных теорией, авторы наблюдали сильный провал в отраженном сигнале – от системы отражалось менее 10-4 падающей энергии. Иными словами, более чем 99,99% энергии падающей волны поглощалось в анизотропном кристалле.
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.
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.
Прежде всего, поглощение электромагнитной энергии в видимом диапазоне спектра важно для фотовольтаики – преобразования энергии солнечного излучения в электрическую и построения солнечных батарей. 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..
