Una cella solare al silicio raccoglie l'energia del sole mentre la luce scende attraverso il silicio che assorbe la luce. Per ridurre peso e costi, le celle solari sono sottili, e mentre il silicio assorbe bene la luce visibile, cattura meno della metà della luce nello spettro del vicino infrarosso, che costituisce un terzo dell'energia solare. La profondità del materiale limita l'assorbimento. Ma cosa accadrebbe se la luce all'interno della cella potesse essere incanalata orizzontalmente in modo che il silicio possa assorbire la sua energia lungo la larghezza della cella piuttosto che la sua profondità?

Con un tale anticipo in mente, Shawn Yu Lin, professore di fisica, fisiche applicate, e astronomia al Rensselaer Polytechnic Institute, ha costruito una nanostruttura il cui reticolo cristallino piega la luce quando entra nel materiale e la dirige in un percorso parallelo alla superficie, noto come "parallelo alla rifrazione dell'interfaccia". La struttura è costituita da nanotubi sovrapposti e ricorda una griglia tridimensionale fatta di Lincoln Logs. I nanocristalli fotonici costruiti utilizzando il suo processo consentono un "intrappolamento della luce" estremo e potrebbero avere applicazioni dalle celle solari a film sottile alle funzioni fotochimiche come il rilevamento e la scissione dell'acqua.

"Questi risultati dimostrano che questo effetto esiste, che se segui le mie linee guida di semplice simmetria cubica, puoi piegare la luce di 90 gradi. Il cristallo fotonico costringe la luce a piegarsi in modo deterministico, piuttosto che scattering casuale o effetti di superficie, " ha detto Lin. "Questo è un nuovo tipo di interazione luce-materia che sta al centro di ciò che si intende fare con l'intrappolamento della luce".

Nei risultati sperimentali, che appaiono in Rapporti scientifici , Lin ha creato un cristallo fotonico usando biossido di titanio, un materiale con un debole assorbimento della luce visibile, per dimostrare il successo dell'effetto. I risultati utilizzando un nanocristallo fotonico di biossido di titanio spesso 900 nanometri hanno mostrato un assorbimento migliorato di uno o due ordini di grandezza in più rispetto a un film di riferimento dello stesso materiale per alcune regioni. Lin ha costruito il nanocristallo, prima in silicio, ora in biossido di titanio – sulla base delle previsioni teoriche del suo collaboratore, Sajeev John, un fisico presso l'Università di Toronto.

La cattura della luce descrive il processo di confinamento della luce in un dato spazio, di solito con l'intento di convertirlo in altre forme di energia. In un approccio, i materiali sono progettati per rallentare la luce, in modo che passi più tempo nel materiale. Nell'approccio utilizzato da Lin, la luce è deviata dal suo percorso dato, facendolo percorrere una distanza maggiore all'interno del materiale, in questo caso, l'intera larghezza di un wafer di biossido di titanio.

La luce si piega sempre leggermente quando entra in un materiale con un indice ottico diverso, qualcosa di facilmente visibile mentre la luce entra nell'acqua. In acqua, e molti altri materiali, la luce si piega solo leggermente. La disposizione degli atomi nel cristallo di biossido di titanio creato da Lin corrisponde alla scala delle lunghezze d'onda della luce visibile, diffondendo la luce in più punti nello spazio contemporaneamente mentre si sposta nel reticolo. Come conseguenza, la luce non può muoversi come fa attraverso lo spazio o qualsiasi mezzo continuo. Anziché, è piegato ad angolo ottuso – fenomeno noto come “rifrazione negativa” – e incanalato lungo la larghezza del materiale.

Per manipolare il flusso della luce visibile, con lunghezze d'onda che vanno da 400 a 700 nanometri, Lin ha aperto la strada a un metodo per costruire un cubo di nanotubi perfettamente simmetrico per adattarsi alla scala della luce. Primo, uno strato di biossido di titanio viene depositato su un substrato. Quindi, un sottile strato di biossido di cromo viene depositato per fungere da maschera per un processo fotolitografico che incide le linee nel biossido di titanio. Una volta completato, un solvente viene utilizzato per rimuovere il biossido di cromo rimanente, completando il primo livello di "log". Per costruire livelli aggiuntivi, si deposita uno strato di biossido di silicio per riempire le cavità tra i tronchi, la superficie è levigata fino alla sommità del primo strato, e l'intero processo viene ripetuto con un preciso angolo di 90 gradi dal primo strato.

Uno strato di materiale è meno di 1 milionesimo di metro – o micron – di spessore, ma è stato prodotto in cialde larghe 100 millimetri, dando il materiale fino a 100, 000 volte lo spazio per assorbire la luce.

"Questa scoperta dimostra un enorme miglioramento della lunghezza del percorso quando si utilizza un materiale che ha un assorbimento molto basso. La sua scoperta cambia il nome del gioco da assorbito verticalmente, da assorbire orizzontalmente in una struttura super sottile, " disse Lin.

Lin e John sono stati affiancati nella loro ricerca dagli associati di ricerca post-dottorato di Rensselaer Brian J. Frey e Ping Kuang, e Mei-Li Hsieh della National Chiao-Tung University di Tiawan, e Jian-Hua Jiang, della Soochow University in Cina. "Lunghezza del percorso ottico effettivamente infinita creata utilizzando un semplice cristallo fotonico cubico per l'intrappolamento della luce estrema" è pubblicato in Rapporti scientifici .

La ricerca di Lin soddisfa Il Nuovo Politecnico, un paradigma emergente per l'istruzione superiore che riconosce che le sfide e le opportunità globali sono così grandi che non possono essere adeguatamente affrontate nemmeno dalla persona più talentuosa che lavora da sola. Rensselaer funge da crocevia per la collaborazione, lavorando con partner di diverse discipline, settori, e regioni geografiche, per affrontare sfide globali complesse, utilizzando gli strumenti e le tecnologie più avanzate, molti dei quali sono sviluppati a Rensselaer. La ricerca a Rensselaer affronta alcune delle sfide tecnologiche più urgenti del mondo, dalla sicurezza energetica e lo sviluppo sostenibile alla biotecnologia e alla salute umana. Il Nuovo Politecnico trasforma l'impatto globale della ricerca, nella sua pedagogia innovativa, e nella vita degli studenti di Rensselaer.