Гурурадж Найк, адъюнкт-профессор электротехники и вычислительной техники в Инженерной школе Джорджа Р. Брауна Райса, и выпускница программы прикладной физики Хлоя Дойрон нашли способ манипулировать светом на наноуровне, который нарушает правило Мосса, которое описывает компромисс между оптическим поглощением материала и тем, как он преломляет свет.

По-видимому, это больше похоже на руководство, чем на фактическое правило, потому что существует ряд "супермоссианских" полупроводников. Золото дурака, оно же железный пирит, является одним из них.

Для их изучения в Передовые оптические материалы Найк, Дойрон и соавтор Джейкоб Хургин, профессор электротехники и вычислительной техники в Университете Джона Хопкинса, считают, что железный пирит особенно хорошо работает в качестве нанофотонного материала и может привести к созданию более качественных и тонких дисплеев для носимых устройств.

Более важным является то, что они разработали метод поиска материалов, которые превосходят правило Moss и обладают полезными свойствами обработки света для дисплеев и сенсорных приложений.

"В оптике мы по-прежнему ограничены очень небольшим количеством материалов", - сказал Наик. "Наша периодическая таблица действительно мала. Но есть так много материалов, которые просто неизвестны, просто потому, что мы не разработали никакого представления о том, как их найти.

"Это то, что мы хотели показать: есть физика, которую можно применить здесь, чтобы составить краткий список материалов, а затем помочь нам найти те, которые могут удовлетворить любые промышленные потребности", - сказал он.

"Допустим, я хочу спроектировать светодиод или волновод, работающий на заданной длине волны, скажем, 1,5 микрометра", - сказал Наик. "Для этой длины волны мне нужен наименьший возможный волновод, который имеет наименьшие потери, а это значит, что он может наилучшим образом ограничивать свет".

По словам Мосса, выбор материала с максимально возможным показателем преломления на этой длине волны обычно гарантирует успех. "Как правило, это требование ко всем оптическим устройствам на наноуровне", - сказал он. "Материалы должны иметь запрещенную зону немного выше интересующей длины волны, потому что именно там мы начинаем видеть, как проникает меньше света.

"Кремний имеет показатель преломления около 3,4 и является золотым стандартом", - сказал Наик. "Но мы начали спрашивать, можем ли мы выйти за пределы кремния до индекса 5 или 10".

Это побудило их искать другие оптические варианты. Для этого они разработали свою формулу для идентификации супермоссианских диэлектриков.

"В этой работе мы даем людям рецепт, который можно применить к общедоступной базе данных материалов, чтобы идентифицировать их", - сказал Наик.

Исследователи остановились на экспериментах с железным пиритом, применив свою теорию к базе данных из 1056 соединений, выполнив поиск в трех диапазонах запрещенной зоны для соединений с самыми высокими показателями преломления. Три соединения наряду с пиритом были идентифицированы как кандидаты на супермоссианство, но низкая стоимость пирита и его длительное использование в фотоэлектрических и каталитических приложениях сделали его лучшим выбором для экспериментов.

"Золото дурака традиционно изучалось в астрофизике, потому что оно обычно встречается в межзвездном мусоре", - сказал Наик. "Но в контексте оптики это малоизвестно".

Он отметил, что железный пирит был изучен для использования в солнечных элементах. "В этом контексте они продемонстрировали оптические свойства в видимом диапазоне длин волн, где это действительно с потерями", - сказал он. "Но это стало для нас ключом к разгадке, потому что, когда что-то имеет чрезвычайно низкие потери на видимых частотах, оно, вероятно, будет иметь очень высокий показатель преломления в ближнем инфракрасном диапазоне".

Итак, лаборатория изготовила пленки из железного колчедана оптического качества. Испытания материала показали показатель преломления 4,37 при ширине запрещенной зоны 1,03 электрон-вольт, что примерно на 40% превышает показатели, предсказанные правилом Мосса.

Это здорово, сказал Наик, но протокол поиска может - и, скорее всего, найдет - найти материалы, которые еще лучше.

"Есть много кандидатов, некоторые из которых даже не были выдвинуты", - сказал он.

Национальный научный фонд (1935446) и Армейское исследовательское управление (W911NF2120031) поддержали исследование.