Infrangere una regola ottica: gli ingegneri manipolano la luce su scala nanometrica

Tecnologia di fisica delle particelle astratta

I materiali potrebbero consentire un migliore controllo della luce su scala nanometrica, aprendo nuove possibilità per le tecnologie di visualizzazione.

Una formula sviluppata dagli ingegneri Rice identifica i materiali per i display 3D e la realtà virtuale.

Se hai intenzione di infrangere una regola con lo stile, assicurati che tutti la vedano. Questo è l’obiettivo degli ingegneri della Rice University, che cercano di migliorare gli schermi per la realtà virtuale, i display 3D e le tecnologie ottiche in generale.

La regola del muschio, che descrive un compromesso tra l’assorbimento ottico di un materiale e il modo in cui rifrange la luce, è stata infranta da Gururaj Naik, professore associato di ingegneria elettrica e informatica presso la George R. Brown School of Engineering della Rice, e laureato in fisica applicata L’allieva del programma Chloe Doiron. Lo ha fatto sviluppando un metodo per manipolare la luce su scala nanometrica che infrange la regola del muschio.

Sembra essere più una linea guida che una regola poiché esistono una manciata di semiconduttori “super-mussiani”. Uno di questi è la pirite di ferro, comunemente nota come l’oro degli sciocchi.

Naik, Doiron e il coautore Jacob Khurgin, professore di ingegneria elettrica e informatica alla Johns Hopkins University, hanno scoperto che la pirite di ferro funziona particolarmente bene come materiale nanofotonico. Hanno recentemente pubblicato le loro scoperte sulla rivista Materiali ottici avanzati il che potrebbe portare a display migliori e più piccoli per l’elettronica indossabile.

Metasuperficie di pirite di ferro

Un’immagine al microscopio elettronico a scansione di una metasuperficie di pirite di ferro creata alla Rice University per testare la sua capacità di trascendere la regola del muschio, che descrive un compromesso tra l’assorbimento ottico di un materiale e il modo in cui rifrange la luce. La ricerca mostra il potenziale per migliorare gli schermi per la realtà virtuale e i display 3D insieme alle tecnologie ottiche in generale. Credito: The Naik Lab/Rice University

Ancora più importante, hanno sviluppato una tecnica per scoprire materiali che sfidano la regola del muschio e forniscono vantaggiose proprietà di gestione della luce per display e applicazioni di rilevamento.

“In ottica, siamo ancora limitati a pochissimi materiali”, ha detto Naik. “La nostra tavola periodica è davvero piccola. Ma ci sono così tanti materiali che sono semplicemente sconosciuti, solo perché non abbiamo sviluppato alcuna intuizione su come trovarli. Questo è ciò che volevamo mostrare: ci sono fisica che può essere applicata qui per selezionare i materiali e quindi aiutarci a cercare quelli che possono portarci a qualunque siano le esigenze industriali”, ha affermato.

“Diciamo che voglio progettare un LED o una guida d’onda che funzioni a una determinata lunghezza d’onda, diciamo 1,5 micrometri”, ha detto Naik. “Per questa lunghezza d’onda, voglio la guida d’onda più piccola possibile, che ha la minima perdita, il che significa che può confinare la luce al meglio.”

La scelta di un materiale con il più alto indice di rifrazione possibile a quella lunghezza d’onda normalmente garantirebbe il successo, secondo Moss. “Questo è generalmente il requisito per tutti i dispositivi ottici su scala nanometrica”, ha affermato. “I materiali devono avere un gap di banda leggermente al di sopra della lunghezza d’onda di interesse perché è lì che iniziamo a vedere passare meno luce.

“Il silicio ha un indice di rifrazione di circa 3,4 ed è il gold standard”, ha detto Naik. “Ma abbiamo iniziato a chiederci se potevamo andare oltre il silicio a un indice di 5 o 10”.

Ciò ha spinto la loro ricerca di altre opzioni ottiche. Per questo, hanno sviluppato la loro formula per identificare i dielettrici super-mussiani.

“In questo lavoro, diamo alle persone una ricetta che può essere applicata al database di materiali pubblicamente disponibile per identificarle”, ha affermato Naik.

I ricercatori hanno optato per esperimenti con la pirite di ferro dopo aver applicato la loro teoria a un database di 1.056 composti, cercando in tre intervalli di bandgap quelli con gli indici di rifrazione più alti. Tre composti insieme alla pirite sono stati identificati come candidati super-mussiani, ma il basso costo e il lungo utilizzo della pirite nelle applicazioni fotovoltaiche e catalitiche l’hanno resa la scelta migliore per gli esperimenti.

“L’oro degli stolti è stato tradizionalmente studiato in astrofisica perché si trova comunemente nei detriti interstellari”, ha detto Naik. “Ma nel contesto dell’ottica, è poco noto.”

Ha notato che la pirite di ferro è stata studiata per l’uso nelle celle solari. “In quel contesto, hanno mostrato proprietà ottiche nelle lunghezze d’onda visibili, dove è davvero con perdita”, ha detto. “Ma questo è stato un indizio per noi perché quando qualcosa è estremamente con perdite nelle frequenze visibili, probabilmente avrà un indice di rifrazione molto alto nel vicino infrarosso”.

Quindi il laboratorio ha prodotto pellicole di pirite di ferro di qualità ottica. I test del materiale hanno rivelato un indice di rifrazione di 4,37 con un gap di banda di 1,03 elettronvolt, superando di circa il 40% le prestazioni previste dalla regola Moss.

È fantastico, ha detto Naik, ma il protocollo di ricerca potrebbe – e probabilmente lo farà – trovare materiali ancora migliori.

“Ci sono molti candidati, alcuni dei quali non sono nemmeno stati presentati”, ha detto.

Riferimento: “Super-Mossian Dielectrics for Nanophotonics” di Chloe F. Doiron, Jacob B. Khurgin e Gururaj V. Naik, 6 settembre 2022, Materiali ottici avanzati.
DOI: 10.1002/adom.202201084

Lo studio è stato finanziato dalla National Science Foundation e dall’Army Research Office.

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