В будущем это можно использовать для создания новых технологий беспроводной передачи энергии и информации. Работу выполнили ученые Университета ИТМО и МФТИ. Статья исследователей опубликована в журнале Laser & Photonics Reviews.

Как все помнят из школьного курса физики, свет может по-разному взаимодействовать с веществом: отражаться от него, рассеиваться им или поглощаться. Как правило, все эти процессы происходят одновременно.

«Световая волна состоит из частиц света, фотонов, — напоминает научный сотрудник МФТИ Денис Баранов. — Всякий раз падая на “темный”, или непрозрачный материал, такой как уголь, краситель или асфальтовая поверхность дороги, она теряет лишь часть своей энергии. Только какая-то доля фотонов переходит в тепловую энергию, в то время как оставшаяся часть без проблем отражается, рассеивается или "насквозь" проходит через поглощающее вещество».  

Денис Баранов

В большинстве случаев это не проблема. Однако существуют области, где требуется максимальное поглощение света материалом. Так, буквально каждый фотон, который отражается от поверхности солнечной батареи, — это потерянная энергия, которая не попадает в сеть, снижая тем самым КПД солнечной электростанции.  

Полное поглощение

Вот почему ученые по всему миру работают над проблемой полного поглощения, пытаясь снизить число потерянных фотонов до минимума, а в идеале — до нуля. Ранее исследователям уже удалось показать этот феномен на больших телах.

«Обычно для полного поглощения нужен очень большой объект, который во много раз превосходит размер пучка света, чтобы все излучение поглотилось, — объясняет доцент Университета ИТМО Андрей Богданов, — но оставался нерешенным вопрос, а можно ли сделать объект, полностью поглощающий весь падающий на него свет, точечным?»

Андрей Богданов

Ученые из ИТМО и МФТИ решили найти ответ на этот вопрос и вычислить характеристики небольшого объекта, который мог бы полностью поглощать падающий на него свет. Им удалось это сделать, причем чисто с помощью расчетов — без проведения экспериментов. Такое в современной физике случается не так часто.

Уравнение сошлось

Ранее ученым было известно, что частица конечного размера может поглотить лишь строго определенное количество энергии. Это обуславливается сразу несколькими физическими ограничениями — одно из них гласит, что количество поглощаемой энергии связано с радиусом пучка энергии. Чтобы увеличить поглощение, надо максимально сузить луч света: в идеале нужно, чтобы его диаметр был меньше длины волны. Но и этого мало — необходимо также добиться согласования параметров потока частиц света и поглощающей частицы.   

Все эти параметры описываются сложными трехмерными математическими соотношениями. Российским ученым в ходе расчетов удалось свести сложную аналитическую задачу к более простой, которая описывается так называемым уравнением Фредгольма второго рода.  

(а) Зависимость уровня поглощения от диэлектрической проницаемости сферы; (b) распределение электромагнитного поля частицы, которая облучается падающим пучком света

«Это уравнение содержит ответы сразу на все интересующие нас вопросы о свойствах частицы и структуре падающего излучения, — объясняет аспирант Университета ИТМО Алексей Проскурин. — Особенностью полученного уравнения является существование ненулевых решений только для определённых значений параметров частицы. В нашем случае это означает, что эффект идеального поглощения существует для конкретных комбинаций размера и материала частицы при заданном расстоянии до поверхности и длине волны. Таким комбинациям соответствует определённая форма падающего пучка. Решив уравнение Фредгольма, мы нашли все параметры частицы и падающего поля. Проведя численные эксперименты, мы подтвердили обнаруженный эффект полного поглощения».

Фундаментальная работа

Эта работа ученых является в полном смысле этого слова фундаментальной. Как они объясняют, она не приведет к немедленному появлению новых солнечных батарей или других электронных устройств. Однако данный успех исследователей должен заложить фундамент для дальнейшего развития в области передачи энергии.

Дело в том,  что уравнения Максвелла, описывающие поведение электромагнитного поля, в том числе его поглощение, могут скалироваться. Иными словами, если ученые нашли идеальное соотношение параметров частиц и света для полного поглощения на наноуровне, то это же соотношение будет работать и на микроуровне или для объектов размером с аккумулятор телефона или ноутбука.

(a) Схема, иллюстрирующая геометрию решаемой задачи; (b) пространственный спектр падающего светового пучка

«Поглощение электромагнитной энергии лежит в основе многих современных устройств. Уменьшение размера поглотителей позволит сделать конечное устройство значительно меньше. Мы надеемся, что полученные результаты удастся использовать для создания компактных микроволновых и оптических антенн, а также эффективных устройств беспроводной передачи энергии»,  — заключил Андрей Богданов. 

Alexey Proskurin, Andrey Bogdanov, Denis G. Baranov. Perfect Absorption of a Focused Light Beam by a Single Nanoparticle Laser & Photonics Reviews, 2021/10.1002/lpor.202000430.

Константин Крылов

Журналист