تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی از یک فراسطح پیریت آهن که در دانشگاه رایس برای آزمایش توانایی آن در غلبه بر قانون ماس (Moss rule)، که رابطه بین جذب نوری یک ماده و چگونگی شکست نور را توصیف می کند، ایجاد شده است. این تحقیق قابلیت بهبود نمایشگرها برای واقعیت مجازی و نمایش های سه بعدی، و به طور کلی فناوری های نوری را نشان می دهد.

اگر می خواهید قانونی را خیلی باشکوه نقض کنید، مطمئن شوید همه آن را می بینند. این هدف مهندسان دانشگاه رایس است که امیدوارند نمایشگرها را برای واقعیت مجازی، نمایش های سه بعدی و به طور کلی فناوری های نوری بهبود ببخشند.

گوروراج نِیک Gururaj Naik، دانشیار مهندسی برق و کامپیوتر در دانشکده مهندسی جرج آر براون، و کلوئه دویرون Chloe Doiron فارغ التحصیل فیزیک کاربردی در دانشگاه رایس راهی برای دستکاری نور در مقیاس نانو پیدا کرده اند که قانون ماس که رابطه ای بین جذب نوری ماده و نحوه شکست نور را توصیف می کند را زیر پا می گذارد. ظاهراً این بیشتر شبیه یک دستورالعمل است تا یک قانون واقعی، زیرا تعدادی از نیمه هادی های "ابر ماس" (super-Mossian) وجود دارند. طلای ابلهان (Fools gold)، معروف به پیریت آهن، یکی از آنهاست.

برای تحقیق خود در ژورنال Advanced Material Science، نِیک، دویرون و نویسنده همکارشان ژاکوب خورگین Jacob Khurgin، استاد مهندسی برق و کامپیوتر در دانشگاه جانز هاپکینز، دریافتند که پیریت آهن به‌ویژه به عنوان ماده نانوفتونیک خوب عمل می‌کند و می‌تواند منجر به نمایشگرهای بهتر و نازک‌تر برای ابزارهای پوشیدنی شود.

مهمتر از آن این است که آنها روشی را برای یافتن موادی که از قانون ماس فراتر رفته و خواص مفیدی برای کنترل نور برای نمایشگرها و کاربردهای حسگری دارند ایجاد کرده اند.

نِیک می گوید: "ما هنوز در اپتیک، به مواد بسیار کمی محدود هستیم.” جدول تناوبی ما واقعا کوچک است. اما مواد زیادی وجود دارند که ناشناخته هستند، فقط به این دلیل که ما هیچ بینشی در مورد چگونگی پیدا کردن آنها ایجاد نکرده ایم."

این چیزی است که ما می خواستیم نشان دهیم: در اینجا فیزیک هایی وجود دارد که با آن ها بتوان فهرست مواد را کوتاه نویسی کرده و سپس به دنبال مواردی بگردیم که می توانند ما را به هر آنچه مورد نیاز صنعت است برسانند.

نیک می گوید: "فرض کنید من بخواهم یک LED یا یک موجبر طراحی کنم که در طول موج معینی، مثلاً 1.5 میکرومتر کار ‌کند. برای این طول موج، کوچکترین موجبر ممکن را می خواهم که کمترین تلفات را دارد، به عبارتی بتواند نور را به نحو احسن مقید کند". طبق قانون ماس، انتخاب ماده ای با بالاترین ضریب شکست ممکن، در آن طول موج معمولاً موفقیت را تضمین می کند. به گفته نیک: این به طور کلی از الزامات همه دستگاه های نوری در مقیاس نانو است. مواد باید گاف نواری کمی بیشتر از طول موج مورد نظر داشته باشند، چون در اینجاست که شروع به مشاهده آن می کنیم که نور کمتری عبور می کند.

به گفته نیک، سیلیکون دارای ضریب شکست 3.4 است که استانداردی طلایی است. "اما ما شروع به پرسیدن کردیم که آیا می‌توانیم فراتر از سیلیکون رفته و به ضریب شکست 5 یا 10 برسیم؟"

این امر باعث جستجوی آنها برای گزینه های نوری دیگر شد. برای این کار، آنها فرمول خود را برای شناسایی دی الکتریک های اَبَر ماسی(super-Mossian) توسعه دادند. نِیک می گوید: در این کار، ما دستور العملی را به افراد می‌دهیم که می‌توان آن‌ را به پایگاه داده‌های مواد که در دسترس عموم است جهت شناسایی اعمال کرد.

محققان پس از اعمال نظریه خود در پایگاه داده ای متشکل از 1056 ترکیب، آزمایشاتی را با پیریت آهن انجام دادند و در سه محدوده گاف نواری، آنهایی که بالاترین ضریب شکست را داشتند جستجو کردند. سه ترکیب همراه با پیریت آهن به عنوان کاندیدهای اَبَر ماسی شناسایی شدند، اما قیمت کم و استفاده طولانی پیریت آهن در کاربردهای فتوولتائیک و کاتالیزوری، آن را به بهترین انتخاب برای آزمایش تبدیل کرد.

نِیک می گوید: "طلای ابلهان به طور سنتی در اخترفیزیک مورد مطالعه قرار گرفته است، زیرا معمولاً در زباله های بین ستاره ای یافت می شود. اما در زمینه اپتیک، کمتر شناخته شده است. " وی اشاره می کند که پیریت آهن برای استفاده در سلول های خورشیدی مورد مطالعه قرار گرفته است. " در این زمینه، آن ها در طول موج‌های مرئی خواص اپتیکی نشان دادند، که واقعاً اتلاف وجود دارد. اما این یک سرنخ برای ما بود، زیرا زمانی که چیزی در فرکانس‌های مرئی به شدت تلف کننده است، احتمالاً ضریب شکست بسیار بالایی در مادون قرمز نزدیک خواهد داشت".

بنابراین آزمایشگاه لایه های پیریت آهن با درجه نوری ساخت. آزمایشات این ماده ضریب شکست 4.37 با گاف نواری 1.03 الکترون ولت را نشان داد که از عملکرد پیش‌بینی‌شده توسط قانون ماس حدود 40 درصد بیشتر است.

به گفته نِیک این عالی است، اما شیوه نامه جستجو ممکن است - و احتمالا خواهد توانست- موادی را پیدا کند که حتی بهتر هم باشند.

او می افزاید: "کاندیداهای زیادی وجود دارد که برخی از آنها حتی ساخته نشده اند".

منبع

Breaking an optical rule: Engineers find a way to manipulate light at the nanoscale

ترجمه خبر: