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(Noticias de Nanowerk) Cuando rompas una regla con estilo, asegúrate de que todos lo vean. Ese es el objetivo de los ingenieros de la Universidad de Rice que esperan mejorar las pantallas de realidad virtual, las pantallas 3D y las tecnologías ópticas en general.
Gururaj Naik, profesor asociado de ingeniería eléctrica e informática en la Escuela de Ingeniería George R. Brown de Rice, y Chloe Doiron, graduada del Programa de Posgrado en Física Aplicada, encontraron una manera de manipular la luz a nanoescala que rompe la regla de Moss, que describe un compromiso entre la absorción óptica de un material y su refracción.
Aparentemente, es más una guía que una regla real, ya que hay una serie de semiconductores «super-Mossian». El oro de los tontos, también llamado pirita de hierro, es uno de ellos.
Para tus estudios en Materiales ópticos avanzados («Super-Mossian Dielectrics for Nanophotonics»), Naik, Doiron y el coautor Jacob Khurgin, profesor de Ingeniería Eléctrica e Informática en la Universidad Johns Hopkins, descubren que la pirita de hierro funciona particularmente bien como material nanofotónico, lo que conduce a un mejor y más delgado El material podría mostrarse para dispositivos portátiles.
Más importante aún, desarrollaron un método para encontrar materiales que superen la regla de Moss y ofrezcan propiedades útiles de manejo de la luz para aplicaciones de visualización y sensores.
«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 conocimientos sobre cómo encontrarlos.
«Esto es lo que queríamos mostrar: hay física que se puede aplicar aquí para preseleccionar los materiales y luego ayudarnos a encontrar los que nos pueden llevar a cualquier necesidad industrial», dijo.
«Digamos que quiero diseñar un LED o una guía de ondas que funcione en una longitud de onda específica, digamos 1,5 micrones», dijo Naik. «Para esta longitud de onda, quiero la guía de ondas más pequeña posible que tenga las pérdidas más bajas, es decir, que pueda contener mejor la luz».
Según Moss, elegir un material con el índice de refracción más alto posible en esa longitud de onda generalmente garantizaría el éxito. «Ese es el requisito general para todos los dispositivos ópticos a nanoescala», dijo. «Los materiales deben tener una banda prohibida que esté ligeramente por encima de la longitud de onda de interés, porque ahí es donde comenzamos a dejar pasar menos luz.
«El silicio tiene un índice de refracción de alrededor de 3,4 y es el estándar de oro», dijo Naik. «Pero empezamos a preguntarnos si podíamos ir más allá del silicio y llegar a un índice de 5 o 10».
Eso los llevó a buscar 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 decidieron experimentar con pirita de hierro después de aplicar su teoría a una base de datos de 1056 compuestos y buscar aquellos con los índices de refracción más altos en tres regiones de banda prohibida. 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, se sabe poco».
Señaló que se estaba estudiando la pirita de hierro para su uso en células solares. «En este contexto, mostraron propiedades ópticas en el rango de longitud de onda visible, donde realmente hay pérdida», dijo. «Pero eso fue una pista para nosotros, porque si algo tiene muchas pérdidas en el rango de frecuencia visible, probablemente tendrá un índice de refracción muy alto en el infrarrojo cercano».
Así que el laboratorio hizo películas de pirita de hierro de calidad óptica. Las pruebas del material revelaron un índice de refracción de 4,37 con una banda prohibida de 1,03 electronvoltios, lo que supera el rendimiento previsto por la regla de Moss en aproximadamente un 40 %.
Eso es genial, dijo Naik, pero el registro de búsqueda podría, y probablemente lo hará, encontrar material que sea aún mejor. «Hay muchos candidatos, algunos de los cuales ni siquiera se han hecho», dijo.
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