[论文解读] Broadband Perfect Absorption of Ultrathin Conductive Films with Coherent Illumination: Super Performance of Electromagnetic Absorption

Sucheng Li, Jie Luo+8 more|arXiv (Cornell University)|Jun 7, 2014

Metamaterials and Metasurfaces Applications被引用 1

一句话总结

本文提出了一种机制，通过在两个相对方向的相干照明下，利用单层超薄导电薄膜实现宽带、近乎完美的微波吸收。通过利用反向传播波之间的干涉效应，该方法打破了传统的50%吸收极限，同时在从千赫兹到吉赫兹的频谱范围内保持固有的宽带吸收特性，在厚度仅为λ/10,000的薄膜上实现了高达100%的吸收。

ABSTRACT

Absorption of microwave by metallic conductors is exclusively inefficient, though being natively broadband, due to the huge impedance mismatch between metal and free space. Reducing the thickness to ultrathin conductive film may improve the absorbing efficiency, but is still bounded by a maximal 50% limit induced by the field continuity. Here, we show that broadband perfect (100%) absorption of microwave can be realized on a single layer of ultrathin conductive film when it is illuminated coherently by two oppositely incident beams. Such an effect of breaking the 50% limit maintains the intrinsic broadband feature from the free carrier dissipation, and is frequency-independent in an ultrawide spectrum, ranging typically from kilohertz to gigahertz and exhibiting an unprecedented bandwidth close to 200%. In particular, it occurs on extremely subwavelength scales, ~{\lambda}/10000 or even thinner, which is the film thickness. Our work proposes a way to achieve total electromagnetic wave absorption in a broadband spectrum of radio waves and microwaves with a simple conductive film.

研究动机与目标

• 克服超薄导电薄膜在电磁波作用下的基本50%吸收极限。
• 在单层薄膜中实现无需复杂多层结构的宽带微波吸收。
• 探讨相干照明在实现亚波长薄膜厚度下完全吸收中的作用。
• 展示使用简单导电薄膜从千赫兹到吉赫兹范围内实现频率无关的超宽带吸收。
• 建立一种可扩展、低复杂度的方法，用于在射频和微波波段实现完全电磁波吸收。

提出的方法

• 使用从两个相反方向入射的两束相干微波束照射单层超薄导电薄膜。
• 利用透射波的相消干涉和吸收波的相长干涉来增强吸收。
• 利用金属中自由载流子的固有宽带耗散特性，以在宽频谱范围内保持频率无关的吸收。
• 利用薄膜界面处的场连续性条件，在相干激励下实现完美阻抗匹配。
• 设计系统在极小的亚波长薄膜厚度下工作（约λ/10,000），远低于传统极限。
• 证明该吸收机制不依赖于薄膜材料特性，仅依赖于自由载流子电导率。

实验结果

研究问题

• RQ1 相干照明能否打破超薄导电薄膜中的50%吸收极限？
• RQ2 在相干照明下，单层导电薄膜能否实现宽带、近乎完美的吸收（100%）？
• RQ3 该系统中可实现的最大吸收带宽是多少，且是否为频率无关？
• RQ4 该机制能否在亚波长薄膜厚度下工作，例如λ/10,000或更薄？
• RQ5 该吸收性能是否在从千赫兹到吉赫兹的宽频率范围内保持稳健？

主要发现

• 在两个相对方向的相干照明下，单层超薄导电薄膜实现了宽带、近乎完美的100%吸收。
• 吸收在从千赫兹到吉赫兹的超宽频带范围内保持频率无关，报告带宽接近200%。
• 该机制打破了由界面场连续性所施加的传统50%吸收极限。
• 薄膜厚度可小至λ/10,000，实现了极端亚波长工作。
• 由于金属中自由载流子的固有耗散特性，吸收的宽带特性得以保持。
• 该系统在无需复杂多层或谐振结构的情况下实现了完全吸收。