Romper una regla óptica: los ingenieros manipulan la luz a nanoescala


Los materiales podrían permitir un mejor control de la luz a nanoescala, abriendo nuevas posibilidades para las tecnologías de visualización.

Una fórmula desarrollada por los ingenieros de Rice identifica materiales para pantallas 3D y realidad virtual.

Si vas a romper una regla con estilo, asegúrate de que todos lo vean. Ese es el objetivo de los ingenieros de la Universidad de Rice, quienes buscan mejorar las pantallas para realidad virtual, pantallas 3D y tecnologías ópticas en general.

La regla de Moss, que describe un compromiso entre la absorción óptica de un material y la forma en que refracta la luz, fue descifrada por Gururaj Naik, profesor asociado de ingeniería eléctrica e informática en la Escuela de Ingeniería George R. Brown de Rice y graduado en física aplicada. . Ex alumna del programa Chloé Doiron. Lo hizo desarrollando un método para manipular la luz a nanoescala que rompe la regla de Moss.

Esto parece ser más una guía que una regla, ya que hay un puñado de semiconductores «supermossianos». Uno de ellos es la pirita de hierro, comúnmente conocida como oro de los tontos.

Naik, Doiron y el coautor Jacob Khurgin, profesor de ingeniería eléctrica e informática en la Universidad Johns Hopkins, descubrieron que la pirita de hierro funciona particularmente bien como material nanofotónico. Recientemente publicaron sus hallazgos en la revista Materiales ópticos avanzados lo que podría conducir a pantallas mejores y más pequeñas para dispositivos electrónicos portátiles.

Metasuperficie de pirita de hierro

Una imagen de microscopio electrónico de barrido de una metasuperficie de pirita de hierro creada en la Universidad de Rice para probar su capacidad para trascender la regla de Moss, que describe una compensación entre la absorción óptica de un material y cómo refracta la luz. La investigación muestra el potencial para mejorar las pantallas de realidad virtual y 3D, así como las tecnologías ópticas en general. Crédito: Laboratorio Naik/Universidad Rice

Más importante aún, han desarrollado una técnica para descubrir materiales que desafían la regla de Moss y brindan propiedades de procesamiento de luz ventajosas para pantallas y aplicaciones de detección.

“En óptica, todavía estamos limitados a muy pocos materiales”, dijo Naik. “Nuestra tabla periódica es realmente pequeña. Pero hay tantos materiales que simplemente se desconocen, simplemente porque no hemos desarrollado una idea de cómo encontrarlos. Eso es lo que queríamos mostrar: hay física que se puede aplicar aquí para preseleccionar materiales y luego ayudarnos a encontrar los que pueden permitirnos satisfacer cualquier necesidad industrial”, dijo. .

«Digamos que quiero diseñar un LED o una guía de ondas que opere en una longitud de onda determinada, digamos 1,5 micrómetros», dijo Naik. «Para esta longitud de onda, quiero la guía de ondas más pequeña posible que tenga la menor pérdida, lo que significa que puede confinar mejor la luz».

Elegir un material con el índice de refracción más alto posible en esa longitud de onda normalmente garantizaría el éxito, según Moss. «Ese es generalmente el requisito para todos los dispositivos ópticos a nanoescala», dijo. “Los materiales deben tener una banda prohibida ligeramente por encima de la longitud de onda de interés, porque ahí es donde empezamos a ver pasar menos luz.

«El silicio tiene un índice de refracción de alrededor de 3,4 y es el estándar de oro», dijo Naik. «Pero comenzamos a preguntarnos si podríamos ir más allá del silicio con un índice de 5 o 10».

Esto impulsó su búsqueda de otras opciones ópticas. Para ello, desarrollaron su fórmula para identificar dieléctricos supermossianos.

«En este trabajo, le damos a la gente una receta que se puede aplicar a la base de datos de materiales disponible públicamente para identificarlos», dijo Naik.

Los investigadores se decidieron por experimentos con pirita de hierro después de aplicar su teoría a una base de datos de 1.056 compuestos, buscando en tres rangos de banda prohibida aquellos con los índices de refracción más altos. Se han identificado tres compuestos junto con la pirita como candidatos supermossianos, pero el bajo costo y el largo uso de la pirita en aplicaciones fotovoltaicas y catalíticas la convirtieron en la mejor opción para experimentos.

«El oro de los tontos se ha estudiado tradicionalmente en astrofísica porque se encuentra comúnmente en los desechos interestelares», dijo Naik. «Pero en el contexto de la óptica, es poco conocido».

Señaló que la pirita de hierro se ha estudiado para su uso en células solares. “En ese contexto, mostraron propiedades ópticas en las longitudes de onda visibles, donde realmente hay pérdidas”, dijo. «Pero eso fue una pista para nosotros porque cuando algo tiene muchas pérdidas en las frecuencias visibles, probablemente tendrá un índice de refracción muy alto en el infrarrojo cercano».

Entonces, el laboratorio fabricó películas de pirita de hierro de grado óptico. Las pruebas del material revelaron un índice de refracción de 4,37 con una banda prohibida de 1,03 electrón-voltios, superando el rendimiento previsto por la regla de Moss en aproximadamente un 40 %.

Eso es genial, dijo Naik, pero el protocolo de investigación podría, y probablemente lo hará, encontrar materiales aún mejores.

«Hay muchos candidatos, algunos de los cuales ni siquiera han sido seleccionados», dijo.

Referencia: «Super-Mossian Dielectrics for Nanophotonics» por Chloe F. Doiron, Jacob B. Khurgin y Gururaj V. Naik, 6 de septiembre de 2022, Materiales ópticos avanzados.
DOI: 10.1002/adom.202201084

El estudio fue financiado por la Fundación Nacional de Ciencias y la Oficina de Investigación del Ejército.

Artículos Recientes

Post Relacionados

Leave A Reply

Por favor ingrese su comentario!
Por favor ingrese su nombre aquí