Le particelle trasparenti con indici di rifrazione straordinariamente elevati possono diventare quasi invisibili a lunghezze d'onda superiori alla dimensione delle particelle, uno studio teorico condotto da A*STAR ha dimostrato. La scoperta sfida la saggezza accettata sui limiti della diffusione della luce e della visibilità, e potrebbe portare a una nuova classe di materiali "invisibili".

La dispersione della luce solare dalle molecole di gas nell'atmosfera è ciò che rende il cielo blu, permettendoci di vedere efficacemente quello che sarebbe un altro mezzo trasparente. Questo processo, noto come diffusione di Rayleigh, si verifica quando le molecole o le particelle sono più piccole della lunghezza d'onda della luce che le colpisce. È stato a lungo accettato che tutte le particelle subiscono lo scattering di Rayleigh, e che la quantità minima di dispersione si verifica quando l'indice di rifrazione - una misura della "lentezza" della luce che passa attraverso un mezzo rispetto a un vuoto - è inferiore a due. Acqua, aria e vetro soddisfano tutti questa condizione, suggerendo che lo scattering di Rayleigh che rende il cielo azzurro è lo stato meno visibile fisicamente realizzabile.

Boris Luk'yanchuk e colleghi dell'A*STAR Data Storage Institute, in collaborazione con ricercatori dell'Australian National University, hanno ora sconvolto questo status quo con la scoperta che la diffusione di Rayleigh può essere soppressa in particelle trasparenti a lunghezze d'onda più lunghe della scala delle particelle se il loro indice di rifrazione è straordinariamente alto.

"Ci sono stati molti tentativi per ridurre la dispersione, " dice Luk'yanchuk. "Ad esempio, la soppressione del riflesso posteriore dei segnali radar è stata ampiamente studiata come parte dello sviluppo della tecnologia stealth. Eppure anche particelle trasparenti molto piccole hanno un certo grado di dispersione. Siamo stati in grado di rivelare un nuovo fenomeno che potrebbe essere utilizzato per progettare materiali ottici ultra trasparenti".

La diffusione di Rayleigh si verifica quando la luce viene assorbita da una molecola, producendo una separazione di cariche positive e negative nota come dipolo elettrico, e riemessa dal dipolo alla stessa energia. Ciò può verificarsi a tutte le lunghezze d'onda, ma è più efficiente a lunghezze d'onda corte, ecco perché il cielo è più blu (lunghezza d'onda corta) che rosso (lunghezza d'onda lunga).

"Nel nostro studio teorico abbiamo scoperto che per materiali con indice di rifrazione molto elevato, il contributo del dipolo elettrico diventa infinitamente piccolo, " spiega Luk'yanchuk. "In particolare, abbiamo scoperto che la modalità dipolo elettrico in piccole particelle di tali materiali è soppressa dall'emergere di un'altra modalità dipolo, con conseguente dispersione ultra-debole al di sotto del limite di Rayleigh. La sfida ora è trovare o sviluppare materiali con un indice di rifrazione sufficientemente alto alla lunghezza d'onda di interesse per sopprimere lo scattering di Rayleigh".