"Gran parte della fisica dell'universo conosciuto ha già soluzioni fondamentali o è troppo complessa per ottenere una risposta esatta", ha affermato Willie Padilla, professore di ingegneria elettrica e informatica alla Duke. "In qualsiasi campo, trovare un risultato veramente nuovo, fondamentale ed esatto come questo è raro."

La ricerca appare in Nanophotonics.

Che si tratti di costruire un'antenna o di sviluppare una protezione solare, ci sono molti casi in cui determinati tipi di luce devono essere assorbiti. Un trucco per massimizzare tale quantità è aumentare lo spessore del materiale che assorbe l'energia.

Tuttavia, fino ad ora non si conosceva lo spessore necessario affinché un materiale trasparente garantisse tale assorbimento.

Più di 20 anni fa, Konstantin N. Rozanov dell'Istituto di elettrodinamica teorica e applicata di Mosca, in Russia, ha scoperto quanta più luce in un intervallo di lunghezze d'onda un dispositivo di un certo spessore potrebbe assorbire se un lato fosse rivestito di metallo. Questo scenario crea un confine su un lato dove tutta la luce viene riflessa o assorbita, fornendo un vincolo che consente a un determinato approccio matematico di risolvere il problema.

Togliere quel bordo metallico e permettere alla luce di continuare, tuttavia, è un cavallo di un colore completamente diverso nello spettro elettromagnetico.

"Rozanov ha usato un trucco intelligente in cui ha lavorato sulla lunghezza d'onda invece che sulla frequenza", ha detto Yang Deng, un assistente di ricerca che lavora nel laboratorio di Padilla. "Ma da allora diversi ricercatori hanno provato a utilizzare questo approccio per risolvere questo problema e hanno fallito."

Per elaborare un nuovo approccio matematico, Padilla e Deng hanno collaborato con Vahid Tarokh, il professore di ingegneria elettrica e informatica della famiglia Rhodes alla Duke. La ricerca di Tarokh abbraccia una vasta gamma di argomenti perseguendo al contempo nuove formulazioni e approcci per ottenere il massimo dai set di dati.

Tarokh è riuscito a capire come dare forma al problema in modo che potesse essere risolto, estraendo un coniglio da un cappello matematico.

"Il senno di poi è 20/20, ma anche i matematici chiamano queste strategie creative 'trucchi'", ha detto Padilla.

Oltre alla novità di risolvere un problema a lungo ricercato, i ricercatori affermano che il loro lavoro ha implicazioni pratiche in diverse aree. Gli assorbitori con supporto metallico non lasciano passare alcun tipo di energia elettromagnetica. Ma ci sono alcune applicazioni in cui potresti voler bloccare alcune frequenze lasciandone passare altre.

Ad esempio, i telefoni cellulari potrebbero voler essere in grado di bloccare alcuni tipi di radiazioni elettromagnetiche dannose lasciandone passare altri, come il GPS o il Bluetooth. Conoscere i limiti fondamentali di questo tipo di obiettivo consentirà agli ingegneri di sapere quando non varrà la pena impegnarsi ulteriormente per ottimizzare la progettazione.