Учёные объяснили, почему стекло становится непрозрачным для терагерцевого излучения
Исследователи создали математическую модель, которая описывает, почему стекло хорошо пропускает радиоволны мобильной связи (гигагерцевый диапазон), но блокирует терагерцевое излучение. Модель связывает поглощение терагерцевых волн со структурой материала и колебаниями атомов.
Стекло свободно пропускает электромагнитные волны в гигагерцевом (ГГц) диапазоне, которые используются в мобильной связи. Однако при переходе на терагерцевые частоты прозрачность материала резко снижается. Хотя это явление наблюдалось экспериментально длительное время, количественная модель, связывающая его с микроскопической структурой стекла, отсутствовала.
Новая модель взаимодействия волн со стеклом
Исследовательская группа разработала континуальную модель, которая учитывает упругую неоднородность стекла и микроскопические колебания заряда на атомном и молекулярном уровнях. Модель описывает, как терагерцевые электромагнитные волны взаимодействуют с колебательной динамикой стекла.
Проверка на глицеролевом стекле
Исследователи применили модель к глицеролевому стеклу — представительному молекулярному стеклу — и обнаружили, что расчёты точно воспроизвели экспериментально измеренные действительную и мнимую части комплексной диэлектрической функции в диапазоне 0,3–2,5 ТГц. Модель также захватила переход от резонансоподобного отклика ниже частоты бозонного пика к широкому релаксационноподобному отклику выше неё.
Роль поперечных колебаний
Анализ показал, что вокруг бозонного пика поперечный вклад преимущественно влияет на действительную и мнимую части терагерцевого диэлектрического отклика, тогда как продольный вклад сравнительно мал. Это указывает на то, что поперечная сдвиговая динамика играет ключевую роль в отклике материала. Модель также воспроизвела почти линейную зависимость коэффициента взаимодействия инфракрасного света с вибрациями от частоты вблизи бозонного пика.
Применение для новых технологий
Полученные результаты предоставляют основу для количественной связи поглощения терагерцевого излучения с колебаниями заряда на основе механических свойств конкретного материала. Такой подход может облегчить проектирование и оценку материалов стекла с низкой диэлектрической проницаемостью и низкими диэлектрическими потерями — характеристиками, которые становятся всё более важными для терагерцевых коммуникаций и фотонных технологий.
Исследование опубликовано в журнале Physical Review B под авторством Tatsuya Mori и коллег.
Это данные исследования, а не медицинский совет.
