Figura 1:Un sottile cristallo fotonico 3D con una nanostruttura simile a un diamante è illuminato da luce bianca da qualsiasi direzione incidente (freccia nera). Molti colori sono fortemente riflessi in modo omnidirezionale indipendentemente dall'angolo di incidenza (freccia nera). In questo esempio, questi sono i colori dall'arancione al blu. Credito:Università di Twente
Attraverso calcoli avanzati fisici e matematici dell'Università di Twente scoprirono che un sottile, la nanostruttura fotonica simile al diamante riflette una gamma sorprendentemente ampia di colori della luce, da tutte le angolazioni. Ciò fa sì che il materiale abbia un grande potenziale come riflettore posteriore per migliorare l'efficienza delle celle solari o delle minuscole sorgenti luminose su chip.
I risultati sono stati pubblicati il 26 aprile sulla principale rivista di fisica Revisione fisica B .
L'efficienza delle celle solari dipende dall'intrappolamento e dall'assorbimento della luce e può essere aumentata utilizzando un riflettore posteriore:uno specchio dietro il materiale della cella solare che riflette la luce non assorbita e la riconduce nella cella solare. Lo specchio ideale riflette la luce incidente da qualsiasi angolazione, nota come riflettanza omnidirezionale, e per tutte le frequenze (o colori) della luce. Tale riflettanza omnidirezionale per le strutture dielettriche è associata a nanostrutture di cristalli fotonici tridimensionali che sostengono un cosiddetto gap di banda fotonico completo. Però, i ricercatori hanno sempre pensato che tali strutture avrebbero avuto una gamma di frequenza ristretta di funzionamento e il loro comportamento omnidirezionale non è mai stato dimostrato fino ad oggi.
Un team interdisciplinare di fisici e matematici dell'Università di Twente ha ora eseguito calcoli avanzati su un materiale molto promettente sviluppato nel gruppo Complex Photonic Systems. "Abbiamo studiato i cosiddetti cristalli fotonici a catasta di legna inversa", dice il dottorando Devashish. "Questi cristalli sono costituiti da una serie regolarmente ordinata di pori perforati in due direzioni perpendicolari in un wafer di dielettrico come il silicio. La struttura cristallina è ispirata alle gemme di diamante".
I ricercatori hanno studiato la riflettività dei cristalli cubici di cataste di legna inversa simili a diamanti mediante calcoli numerici e hanno interpretato recenti esperimenti. Hanno impiegato il metodo degli elementi finiti per studiare questi cristalli circondati dallo spazio libero. "Abbiamo scoperto che anche le cataste di legna inverse molto sottili riflettono fortemente molti colori della luce in modo omnidirezionale", dice Devashish. "Nelle cataste di legna inverse, l'assorbimento della luce è trascurabile. Questo li rende un ottimo candidato come riflettore posteriore nelle celle solari. Ci aspettiamo anche che questi cristalli fotonici simili a diamanti possano portare a laser su chip, mantelli dell'invisibilità e dispositivi per confinare la luce in volumi estremamente piccoli."
Figura 2:Gli spettri di riflettività calcolati per tutti gli orientamenti della luce incidente. La luce che non può entrare nei cristalli si riflette, segnalando che questi colori sono completamente vietati all'interno dei cristalli, che è la firma del band gap fotonico. I ricercatori osservano che la luce per un'ampia gamma di colori viene sempre riflessa per qualsiasi angolo di incidenza e per entrambi gli orientamenti, anche per una lastra di cristallo sottile. Il colore blu scuro rappresenta l'elevata riflettività che si verifica nella banda di arresto per tutti gli angoli. Il colore bianco rappresenta quasi lo 0% di riflettività. Le linee tratteggiate arancioni evidenziano l'ampia gamma di frequenze in cui la luce viene riflessa per tutti gli angoli incidenti. Credito:Università di Twente
