Gli arcobaleni si formano quando la luce si piega, o si rifrange, quando entra ed esce da una goccia d'acqua. La quantità di curvatura della luce dipende dal colore della luce, con conseguente separazione della luce bianca in un bellissimo spettro di colori. L'indice di rifrazione, uno degli strumenti che gli ingegneri ottici usano per controllare la luce, descrive l'interazione tra luce e materia.

Recentemente, i materiali che hanno un indice di rifrazione che svanisce hanno riscosso un notevole interesse nelle comunità scientifiche e ingegneristiche. Questi materiali, chiamati materiali epsilon-near-zero (ENZ), mostrano grandi promesse per applicazioni nell'imaging di piccoli oggetti, rilevamento di concentrazioni minime di molecole mirate (ad es. esplosivi, sostanze chimiche tossiche, inquinanti) e consentendo una nuova generazione di dispositivi e circuiti ottici.

Un team dell'Università di Notre Dame in collaborazione con ricercatori dell'Università del Texas ad Austin, La Cornell University e l'Università del Massachusetts a Lowell hanno mostrato come le proprietà ottiche dei materiali ENZ possono essere ingegnerizzate per migliorare i dispositivi ottici. Il loro lavoro utilizza molti degli stessi materiali utilizzati nell'industria per l'elettronica ad alta potenza e potrebbe un giorno consentire l'integrazione di questo nuovo comportamento ottico nei dispositivi ottici.

I dispositivi ottici creano, manipolare o misurare la radiazione elettromagnetica:luce, sia il visibile che l'invisibile. Occhiali da vista e obiettivi per macchine fotografiche, microscopi e telescopi, laser, i diodi emettitori di luce e le celle solari sono esempi di dispositivi ottici comuni che sono stati sviluppati per aiutare a vedere e percepire il mondo. Ciascuno di questi dispositivi sfrutta l'indice di rifrazione in modo diverso.

Il team ha condiviso i suoi risultati in un recente articolo pubblicato su Optics Express .

"Molte molecole hanno modi vibrazionali nella regione spettrale del medio infrarosso, e queste vibrazioni possono essere utilizzate per rilevarle, " disse Irfan Khan, uno studente di dottorato in ingegneria elettrica e l'autore principale del documento. "Abbiamo utilizzato materiali ENZ per accoppiare una modalità ottica speciale, nota come modalità Berreman, per progettare risposte ottiche specifiche nei materiali semiconduttori attualmente utilizzati nell'industria."

Progettare queste nuove modalità ottiche utilizzando materiali semiconduttori è un passaggio fondamentale per incorporare i materiali ENZ nei futuri dispositivi e circuiti ottici, dice Anthony Hoffman, professore associato di ingegneria elettrica e capo progetto.

"Il fatto che i materiali ENZ siano prontamente disponibili, semplici da fabbricare e funzionare bene su una scala molto piccola li rende anche ideali per una varietà di applicazioni."