Si vous allez enfreindre une règle avec style, assurez-vous que tout le monde le voit. C'est l'objectif des ingénieurs de l'Université Rice qui espèrent améliorer les écrans pour la réalité virtuelle, les écrans 3D et les technologies optiques en général.

Gururaj Naik, professeur agrégé de génie électrique et informatique à la George R. Brown School of Engineering de Rice, et l'ancienne élève du programme d'études supérieures en physique appliquée Chloe Doiron ont trouvé un moyen de manipuler la lumière à l'échelle nanométrique qui enfreint la règle de Moss, qui décrit un compromis entre l'absorption optique d'un matériau et la façon dont il réfracte la lumière.

Apparemment, cela ressemble plus à une ligne directrice qu'à une règle réelle, car un certain nombre de semi-conducteurs "super-mossiens" existent. L'or des fous, ou pyrite de fer, en fait partie.

Pour leur étude sur les matériaux optiques avancés , Naik, Doiron et le co-auteur Jacob Khurgin, professeur de génie électrique et informatique à l'Université Johns Hopkins, ont découvert que la pyrite de fer fonctionne particulièrement bien comme matériau nanophotonique et pourrait conduire à des écrans meilleurs et plus fins pour les appareils portables.

Plus important encore, ils ont établi une méthode pour trouver des matériaux qui dépassent la règle de Moss et offrent des propriétés utiles de gestion de la lumière pour les applications d'affichage et de détection.

"En optique, nous sommes encore limités à très peu de matériaux", a déclaré Naik. "Notre tableau périodique est vraiment petit. Mais il y a tellement de matériaux qui sont tout simplement inconnus, simplement parce que nous n'avons pas développé d'idées sur la façon de les trouver."

"C'est ce que nous voulions montrer :il y a de la physique qui peut être appliquée ici pour présélectionner les matériaux, puis nous aider à rechercher ceux qui peuvent nous permettre de répondre à tous les besoins industriels", a-t-il déclaré.

"Disons que je veux concevoir une LED ou un guide d'ondes fonctionnant à une longueur d'onde donnée, disons 1,5 micromètre", a déclaré Naik. "Pour cette longueur d'onde, je veux le plus petit guide d'onde possible, qui a la plus petite perte, ce qui signifie qu'il peut confiner au mieux la lumière."

Le choix d'un matériau avec l'indice de réfraction le plus élevé possible à cette longueur d'onde garantirait normalement le succès, selon Moss. "C'est généralement l'exigence pour tous les dispositifs optiques à l'échelle nanométrique", a-t-il déclaré. "Les matériaux doivent avoir une bande interdite légèrement au-dessus de la longueur d'onde d'intérêt, car c'est là que nous commençons à voir moins de lumière passer."

"Le silicium a un indice de réfraction d'environ 3,4 et est l'étalon-or", a déclaré Naik. "Mais nous avons commencé à nous demander si nous pouvions aller au-delà du silicium vers un indice de 5 ou 10."

Cela a incité leur recherche d'autres options optiques. Pour cela, ils ont développé leur formule pour identifier les diélectriques super-mossiens.

"Dans ce travail, nous donnons aux gens une recette qui peut être appliquée à la base de données de matériaux accessible au public pour les identifier", a déclaré Naik.

Les chercheurs ont opté pour des expériences avec de la pyrite de fer après avoir appliqué leur théorie à une base de données de 1 056 composés, recherchant dans trois plages de bande interdite ceux ayant les indices de réfraction les plus élevés. Trois composés ainsi que la pyrite ont été identifiés comme candidats super-mossiens, mais le faible coût et la longue utilisation de la pyrite dans les applications photovoltaïques et catalytiques en ont fait le meilleur choix pour les expériences.

"L'or des fous a traditionnellement été étudié en astrophysique car on le trouve couramment dans les débris interstellaires", a déclaré Naik. "Mais dans le contexte de l'optique, c'est peu connu."

Il a noté que la pyrite de fer a été étudiée pour une utilisation dans les cellules solaires. "Dans ce contexte, ils ont montré des propriétés optiques dans les longueurs d'onde visibles, où c'est vraiment avec perte", a-t-il déclaré. "Mais c'était un indice pour nous, car quand quelque chose est extrêmement déficient dans les fréquences visibles, il va probablement avoir un indice de réfraction très élevé dans le proche infrarouge."

Le laboratoire a donc fabriqué des films de pyrite de fer de qualité optique. Les tests du matériau ont révélé un indice de réfraction de 4,37 avec une bande interdite de 1,03 électron-volt, dépassant les performances prédites par la règle de Moss d'environ 40 %.

C'est formidable, a déclaré Naik, mais le protocole de recherche pourrait – et le fera probablement – ​​trouver des matériaux encore meilleurs.

"Il y a beaucoup de candidats, dont certains n'ont même pas été choisis", a-t-il déclaré. + Explorer plus loin

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