Una regla óptica se rompe y abre paso a nuevas tecnologías

Ingenieros han encontrado una manera de identificar materiales nanofotónicos con el potencial de mejorar las pantallas para la realidad virtual y 3D junto con las tecnologías ópticas en general.

Gururaj Naik, profesor asociado de ingeniería eléctrica e informática en la Universidad de Rice, y la ex alumna del Programa de Posgrado en Física Aplicada Chloe Doiron descubrieron una manera de manipular la luz a nanoescala que rompe la regla de Moss, que describe una compensación entre la absorción óptica de un material y cómo refracta la luz.

Aparentemente, es más una guía que una regla real, porque existen varios semiconductores "super-mossianos". El oro de los tontos, como también se conoce a la pirita de hierro, es uno de ellos.

Para su estudio, publicado en Advanced Optical Materials, Naik, Doiron y el coautor Jacob Khurgin, profesor de ingeniería eléctrica e informática en la Universidad Johns Hopkins, hallaron que la pirita de hierro funciona particularmente bien como material nanofotónico y podría conducir a pantallas mejores y más delgadas para dispositivos portátiles.

Más importante es que han establecido un método para encontrar materiales que superan la regla de Moss y ofrecen propiedades útiles de manejo de la luz para pantallas y aplicaciones de detección.

"En óptica, todavía estamos limitados a muy pocos materiales", dijo Naik en un comunicado. "Nuestra tabla periódica es realmente pequeña. Pero hay tantos materiales que simplemente se desconocen, simplemente porque no hemos desarrollado ninguna idea sobre cómo encontrarlos".

"Eso es lo que queríamos mostrar: hay física que se puede aplicar aquí para seleccionar los materiales y luego ayudarnos a buscar aquellos que pueden llevarnos a cualquiera que sea la necesidad industrial", dijo.

"Digamos que quiero diseñar un LED o una guía de ondas que opere a 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 que pasa 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 a un índice de 5 o 10".

Eso los impulsó a buscar otras opciones ópticas. Para eso, 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 identificaron 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 los 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 pérdida", dijo. "Pero eso fue una pista para nosotros, porque cuando algo tiene muchas pérdidas en las frecuencias visibles, es probable que tenga 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, superando el rendimiento previsto por la regla de Moss en aproximadamente un 40 %.

Eso es genial, dijo Naik, pero el protocolo de búsqueda podría, y probablemente lo hará, encontrar materiales que sean aún mejores. "Hay muchos candidatos, algunos de los cuales ni siquiera se han hecho", dijo.

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