راه حل دانشمند ایرانی برای یک مسئله ۲۰ ساله/ محدودیت‌های مواد شفاف جاذب انرژی کشف شد

به گزارش خبرگزاری علم و فناوری آنا به نقل از اینترستینگ اینجینیزینگ، پژوهشگران دانشگاه دوک با کمک وحید تارخ استاد این دانشگاه موفق شدند محدودیت‌های نظری میزان انرژی الکترومغناطیسی را که یک ماده شفاف می‌تواند جذب کند، تعیین کنند.

این دستاورد که می‌تواند به محققان در بهینه سازی طراحی دستگاه‌های الکترومغناطیسی آینده کمک کند به انتظار ۲۰ ساله برای یک راه حل ریاضی برای این مسئله نیز پایان داده است.

هنگامی که دانشمندان در حال ساخت دستگاه‌های جدید یا یافتن کاربرد‌های جدید براییک ماده شیمیایی هستند، نقش نور بسیار مهم است. در برخی موارد، مانند سلول‌های خورشیدی، هدف اجازه حداکثر جذب نور است. در برخی دیگر، هدف محدودکردن میزان جذب نور است.

برای سال‌ها، دانشمندان بر یک راهبرد ساده برای افزایش ضخامت ماده به منظور افزایش جذب نور تکیه کرده‌اند؛ نکته‌ای صریح و منطقی؛ اما محققان به اینکه فکر می‌کردند آیا می‌توان ماده شفافی ساخت که اجازه عبور نور را بدهد و اینکه ضخامت مورد نیاز برای چنین ماده‌ای چقدر باید باشد؛ پاسخ چنین مسئله‌ای یک راز باقی مانده بود.

راه حل روسی که به طور خلاصه جواب داد

بیش از 20 سال پیش، «کنستانتین روزانف» «Konstantin N. Rozanov» محقق مؤسسه الکترودینامیک نظری و کاربردی در مسکو روسیه، محدودیتی را در مساله معرفی کرد که برای حل معما مفید بود.

روزانوف یک سوی مواد شفاف را با یک تکه فلز پوشاند تا محدوده طول موج‌هایی را که در مواد جذب می‌شوند، کشف کند؛ زیرا پوشش فلزی، نوری را که از راه می‌رسد منعکس و یا جذب می‌کند.

این به محققان اجازه داد تا به یک راه حل ریاضی برای مسئله برسند. با این حال، نکته اینجا بود که محققان هیچ سرنخی نداشتند که چه زمانی پوشش فلزی باید برداشته شود تا نور بتواند از آن عبور کند.

مهم‌تر از آن، روزانوف یک ترفند هوشمندانه داشت که باعث شد راه حل کار کند. او به جای فرکانس با طول موج کار می‌کرد. هنگامی که محققان با فرکانس کار می‌کردند، رویکرد فلزی نمی توانست مسئله را حل کند.

محققان دوک به کار خود ادامه می‌دهند

«ویلی پادیلا» «Willie Padilla» استاد مهندسی برق و کامپیوتر در دانشگاه دوک، به دنبال حل این مشکل برای ساخت دستگاه‌های بهتر بود. او با «وحید تارخ»، استاد مهندسی برق و کامپیوتر در دوک همکاری کرد. تارخ روی فرمول‌بندی‌های جدید تخصص دارد و بیشترین بهره را از مجموعه داده‌ها می‌برد.

تارخ بدون اینکه وارد ریاضیات زیربنایی شود، موفق شد ترفند روزانوف را رو کند. پادیلا در مورد کار تارخ می‌گوید: بازنگری گذشته می‌تواند به درک دقیق‌تر مسائل و حل آسان آن کمک کند؛ اما حتی ریاضیدانان این استراتژی‌های خلاقانه را ترفند می‌نامند.

کار پادیلا و تارخ علاوه بر ارائه راه حلی که مدت‌ها در انتظار آن بودیم، کاربرد‌های عملی نیز دارد. یک ماده جاذب با پشتی فلزی اجازه عبور هیچ انرژی الکترومغناطیسی را نمی‌دهد. با این حال، برای برخی از برنامه‌های کاربردی، فرد ترجیح می‌دهد فرکانس‌های خاصی از آن عبور کنند، در حالی که اکثر آنها مسدود هستند.

به عنوان مثال، خطرات تابش الکترومغناطیسی از تلفن‌های همراه به خوبی شناخته شده است. راه حل ریاضی اکنون اجازه می‌دهد تا آنها مسدود شوند در حالی که همچنان سیگنال‌های GPS یا بلوتوث را عبور می‌دهد. از طرف دیگر، می‌توان برنامه‌های مخفی کاری را برای استفاده نظامی نیز توسعه داد.

ریاضیات می‌تواند برای آسان‌تر کردن کار محققان، به آنها کمک کند دریابند به محدودیت‌های اساسی رسیده اند و تلاش‌های بهینه‌سازی بیشتر نتیجه‌ای در بر نخواهد داشت.

پادیلامی گوید: بسیاری از فیزیک جهان شناخته شده در حال حاضر راه حل‌های اساسی دارد یا برای داشتن یک پاسخ دقیق، بسیار پیچیده است. در هر زمینه ای، یافتن یک نتیجه واقعی، اساسی و دقیق مانند این نادر است.

نتایج این تحقیقات در نشریه Nanophotonics منتشر شده است.