Wie dünn können die Drähte eines Subwellenlängen-Goldnetzes sein und dennoch halb so reflektierend wie eine feste Folie? Welche Physik schreibt das vor?

Ein Metall reflektiert, weil es leitfähig ist. Die Leitfähigkeit begrenzt das Reflexionsvermögen, wenn es dünn und schmal wird.

Darüber hinaus gibt es natürlich Überlegungen, wenn Sie ein Sonnensegel bauen möchten. Ein möglichst dünnes Metalldrahtgeflecht wäre schwach und zerbrechlich. Stärke zählt. Die Herstellbarkeit eines Riesensegels ist wichtig. Die Fähigkeit, die Erdatmosphäre vor dem Start, Start und Einsatz zu überleben, ist von Bedeutung. Strahlenschäden sind wichtig. Aber ich werde mich auf Dinge konzentrieren, die das Reflexionsvermögen beeinflussen.

Die Wahl des Materials ist wichtig. Ein Problem bei Gold ist sein Reflexionsvermögen über das gesamte Spektrum. Sie möchten, dass es bei Wellenlängen am stärksten reflektiert, die die Sonne stärker emittiert. Das ist das Spektrum.

Dies ist die Reflektivität.

Gold ist über einen wichtigen Teil des Spektrums weniger reflektierend (weniger leitfähig) als Silber oder Aluminium.

Reflexion findet an der Oberfläche eines Metalls statt. Strahlung bringt Leitungselektronen zum Schwingen. Schwingende Elektronen strahlen. Dies ist das reflektierte Licht. Der Strom klingt exponentiell mit der Tiefe in das Metall ab. Die Zerfallskonstante ist abhängig von der Leitfähigkeit.

Wo$\sigma$ist die Hauttiefe

Wenn die Goldschicht dünner als ein paar ist$\sigma$, wird Licht durchgelassen. Für Gold ist dies ziemlich dick. Wie der Link im Beitrag sagt, a$500$Angström-Goldschicht auf den Gesichtsplatten des Astronauten reflektierte im Wesentlichen das gesamte Infrarot, aber etwa die Hälfte des sichtbaren. Das ist es, was Sie für eine Frontplatte mehr wollen als ein Sonnensegel.

Andererseits Ihr Link Wie realistisch ist das 1 kg/km² Sonnensegel in „Death's End“? sagt, dass eine 5 nm Al "Folie" optimal ist. Bei dieser Dicke ist Al$50$% reflektierend. Dann schlägt es ein Raster von vor$5$nm-Drähte wären ebenfalls effektiv.

Der Link ist daran interessiert, das Gewicht so weit wie möglich zu verringern und die Reflektivität zu erhöhen. Es wurde nicht erwähnt, aber vielleicht ein Raster zu sagen$10$nm Drähte wären näher dran$100$% reflektierend und nicht so schwer. Ein Drahtgitter würde mit anderen stärkeren Drähten verstärkt werden.

Eine weitere Überlegung ist, dass ein Metall reflektierend ist, weil sich Elektronen durch das Metall ausbreiten. Sie können sich leicht bewegen, was sie leitfähig macht. Klassischerweise versetzt das oszillierende elektrische Feld im Licht die Elektronen in Schwingung, und schwingende Elektronen strahlen Licht aus. Es funktioniert so, dass das einfallende Licht absorbiert wird und das abgestrahlte Licht die Reflexion ist.

Elektronen können sich bewegen, weil benachbarte Atome keine einzelnen getrennten Orbitale mit jeweils derselben Energie haben. Stattdessen überlappen sie sich und bilden Bänder, Zustände mit vielen eng beieinander liegenden Energieniveaus.

Gold ist so ein Feststoff. Gold ist bei niedrigeren Frequenzen leitfähiger. Rotes und infrarotes Licht wird gut reflektiert, aber blaues Licht wird absorbiert. Gold ist also goldfarben.

Damit das funktioniert, müssen genügend Metallatome vorhanden sein, um einen Festkörper mit Bandstruktur herzustellen. Der Festkörper muss groß genug sein, damit die Elektronen schwingen und strahlen können.

Die dünnsten gesputterten Goldfilme sind typisch$10$nm dick. Darunter bildet Gold eher Inseln als einen Film. Dieses Papier bringt es auf den Punkt$5.4$nm und scheint zu sagen, dass die optischen Eigenschaften mit denen vergleichbar sind, die man von massivem Gold erwarten würde. Es gibt einen Effekt vom Substrat, aber bei einem Sonnensegel spricht man von entfernbaren Substraten (vielleicht wünscht man sich). Trotzdem könnte es schwierig sein, Golddrähte so dünn zu machen.

Da a$54$Ångström-Film verhält sich wie Masse, Skin-Tiefe ist der begrenzende Faktor in einem Film.

Es ist schwierig, Drähte so dünn und schmal wie einen Film herzustellen. Musteraufzeichnungen für dünne Golddrähte hat einige Links. Eines, Gold Wire-networks: Particle Array Guided Evaporation Lithograpy , ist eine Zusammenfassung, die Hoffnungen erwähnt, Drähte im Mikrometer- bis Submikrometerbereich abzuscheiden. Das Papier selbst konnte ich nicht finden.

Drähte müssen in mehrere Richtungen verlaufen. Parallel zu den Drähten polarisiertes Licht kann Elektronen entlang des Drahtes zu Schwingungen anregen und wird gut reflektiert. Senkrecht zu den Drähten polarisiertes Licht kann und wird nicht reflektiert.

Drähte müssen weniger als eine Lichtwellenlänge voneinander entfernt sein oder Licht wird zwischen ihnen gebeugt.