كسر قاعدة بصرية – يتلاعب المهندسون بالضوء بمقياس النانو
تم كسر قاعدة موس، التي تصف المفاضلة بين الامتصاص البصري للمادة وكيفية انكسار الضوء، بواسطة جورراج نايك، الأستاذ المساعد في الهندسة الكهربائية وهندسة الكمبيوتر في كلية جورج آر براون للهندسة في رايس، وخريج الفيزياء التطبيقية. برنامج ألومنا كلو دويرون. لقد فعل ذلك من خلال تطوير طريقة لمعالجة الضوء على المقياس النانوي يخالف قاعدة موس.
يبدو أنه دليل إرشادي أكثر منه قاعدة نظرًا لوجود عدد قليل من أشباه الموصلات “الفائقة موسيان”. واحد منهم هو بيريت الحديد، المعروف باسم ذهب الأحمق.
اكتشف نايك ودويرون والمؤلف المشارك جاكوب خورجين ، أستاذ الهندسة الكهربائية وهندسة الكمبيوتر في جامعة جونز هوبكنز، بيريت الحديد بشكل خاص كمادة نانوفوتونية. قاموا مؤخرًا بنشر النتائج التي توصلوا إليها في مجلة Advanced Optical Materials والتي قد تؤدي إلى شاشات أفضل وأصغر للإلكترونيات القابلة للارتداء.
صورة بالمجهر الإلكتروني لمسح سطح بيريت الحديد تم إنشاؤه في جامعة رايس لاختبار قدرته على تجاوز قاعدة موس، والتي تصف المفاضلة بين الامتصاص البصري للمادة وكيفية انكسار الضوء. يُظهر البحث إمكانية تحسين شاشات الواقع الافتراضي وشاشات العرض ثلاثية الأبعاد جنبًا إلى جنب مع التقنيات البصرية بشكل عام. الائتمان: مختبر نايك / جامعة رايس
والأهم من ذلك، أنهم طوروا تقنية لاكتشاف المواد التي تتحدى قاعدة الطحلب وتوفر خصائص معالجة الضوء المفيدة لتطبيقات العرض والاستشعار.
قال نايك: “في مجال البصريات، ما زلنا نقتصر على عدد قليل جدًا من المواد”. “جدولنا الدوري صغير حقًا. لكن هناك الكثير من المواد غير المعروفة ببساطة، فقط لأننا لم نطور أي فكرة عن كيفية العثور عليها. هذا ما أردنا إظهاره: هناك فيزياء يمكن تطبيقها هنا لوضع قائمة مختصرة بالمواد، ومن ثم مساعدتنا في البحث عن تلك التي يمكن أن توصلنا إلى أي احتياجات صناعية، “قال.
قال نايك: “لنفترض أنني أريد تصميم مصباح LED أو دليل موجي يعمل عند طول موجي معين، لنقل 1.5 ميكرومتر”. “بالنسبة لهذا الطول الموجي، أريد أصغر دليل موجي ممكن، والذي يحتوي على أقل خسارة، مما يعني أنه يمكن أن يحصر الضوء بشكل أفضل.”
وفقًا لموس، فإن اختيار مادة ذات أعلى معامل انكسار ممكن عند هذا الطول الموجي سيضمن عادةً النجاح. قال “هذا بشكل عام متطلب لجميع الأجهزة الضوئية على نطاق النانو”. “يجب أن تحتوي المواد على فجوة نطاق أعلى بقليل من الطول الموجي المعني لأن هذا هو المكان الذي نبدأ فيه رؤية كمية أقل من الضوء يمر.
قال نايك: “السليكون له معامل انكسار يبلغ حوالي 3.4، وهو المعيار الذهبي”. “لكننا بدأنا في التساؤل عما إذا كان بإمكاننا تجاوز السيليكون إلى مؤشر من 5 أو 10.”
دفع ذلك بحثهم عن خيارات بصرية أخرى. لذلك، طوروا صيغتهم لتحديد المواد العازلة الفائقة موسيان.
قال نايك: “في هذا العمل، نقدم للناس وصفة يمكن تطبيقها على قاعدة البيانات المتاحة للجمهور من المواد لتحديد هويتهم “.
استقر الباحثون على تجارب مع بيريت الحديد بعد تطبيق نظريتهم على قاعدة بيانات تضم 1056 مركبًا، والبحث في ثلاث نطاقات ذات فجوة حزمة لمن لديهم أعلى مؤشرات انكسار. تم تحديد ثلاث مركبات جنبًا إلى جنب مع البيريت كمرشحين فائقين من موسيان، لكن تكلفة البايرايت المنخفضة والاستخدام الطويل في التطبيقات الكهروضوئية والحفازة جعلته الخيار الأفضل للتجارب.
قال نايك: “تمت دراسة الذهب الكاذب تقليديًا في الفيزياء الفلكية لأنه يشيع وجوده في الحطام بين النجوم”. “لكن في سياق البصريات، لا يُعرف إلا القليل.”
وأشار إلى أنه تمت دراسة بيريت الحديد لاستخدامه في الخلايا الشمسية. قال: “في هذا السياق، أظهروا خصائص بصرية في الأطوال الموجية المرئية، حيث تكون ضائعة حقًا”. “لكن هذا كان دليلاً لنا لأنه عندما يكون هناك شيء ضائع للغاية في الترددات المرئية، فمن المحتمل أن يكون له معامل انكسار عالي جدًا في الأشعة تحت الحمراء القريبة.”
لذلك صنع المختبر أغشية من الحديد بالبيريت من الدرجة الضوئية. كشفت اختبارات المادة أن معامل الانكسار يبلغ 4.37 مع فجوة نطاق تبلغ 1.03 إلكترون فولت، متجاوزًا الأداء الذي تنبأت به قاعدة موس بنحو 40٪.
قال نايك إن هذا رائع، لكن بروتوكول البحث يمكنه – ومن المحتمل أن يجد – موادًا أفضل.
المصدر: scitechdaily
شاهد المزيد:
