I ricercatori dell'ITMO hanno scoperto un materiale ultrasensibile alla luce. Inoltre, sono stati in grado di identificare un parametro che aiuterà a trovare altre strutture con alti coefficienti di rifrazione. Questa scoperta ci avvicinerà di un passo allo sviluppo di elementi compatti ed efficienti per computer ottici:laser, patatine fritte, e sensori. La ricerca è pubblicata su Nanofotonica .

Ogni anno, c'è una crescente domanda di computer più potenti e avanzati. Il problema con quelli convenzionali, anche se, risiede negli elettroni che svolgono un ruolo importante in essi. In qualsiasi struttura attraversata da una corrente elettrica, c'è il rischio di surriscaldamento, che crea limitazioni fondamentali alla dimensione minima degli elementi computazionali. Una soluzione a questo problema risiede nei computer ottici che elaboreranno le informazioni trasmesse dal movimento di fotoni che non si riscaldano, al contrario degli elettroni.

"Presto raggiungeremo il limite in cui qualsiasi ulteriore modernizzazione delle macchine a base di elettroni non consentirà il necessario aumento dell'efficienza. Per iniziare a utilizzare i computer ottici, dobbiamo creare chip e laser di dimensioni comparabili. Abbiamo bisogno di materiali con alti coefficienti di rifrazione per sviluppare elementi ottici su scala nanometrica. Il coefficiente di rifrazione ci dice quanto bene una struttura reagisce alla luce. Se la sua interazione con la luce è scarsa, quindi il dispositivo funzionerà di conseguenza, " spiega Anton Shubnic, uno studente presso la Facoltà di Fisica e Ingegneria dell'ITMO.

Non ci sono molti materiali altamente sensibili alla luce. Uno di questi è il silicio (Si), con un coefficiente di rifrazione di 4. Non sono noti materiali con un coefficiente di rifrazione più elevato nel campo del visibile. Inoltre, i ricercatori ammettono, non è del tutto chiaro, dove uno potrebbe cercarli. Dopo lunghi calcoli matematici, I fisici dell'Università ITMO sono stati in grado di identificare un parametro che potrebbe indicare la velocità con cui la luce passerebbe attraverso un semiconduttore prima di esperimenti fisici o modelli di calcolo complessi. Questo parametro dipende dalle proprietà elettroniche di un materiale:la sua banda proibita e la massa effettiva di un elettrone.

"Abbiamo concentrato la nostra attenzione sui semiconduttori. Questi materiali hanno band gap, noto per la maggior parte di essi e frequentemente utilizzato. In ottica, il band gap determina la lunghezza d'onda massima alla quale un materiale rimane trasparente. Il secondo parametro è la massa effettiva dell'elettrone. Quando si interagisce con altre particelle in un materiale, gli elettroni agirebbero come particelle con una massa diversa da quella che hanno originariamente, " spiega Ivan Iorsh, capo del Laboratorio Internazionale di Fotoprocessi nei Sistemi Mesoscopici dell'Università ITMO.

Il band gap è un intervallo di energia che gli elettroni non possono avere in un determinato materiale. Se l'energia di un fotone è inferiore al band gap, allora la luce può diffondersi nel materiale, e se l'energia è maggiore, la luce sarà assorbita. In ottica, il band gap determina la lunghezza d'onda massima alla quale un materiale rimane trasparente. Questo parametro è noto per molti materiali e viene utilizzato attivamente. Il secondo parametro è la massa effettiva dell'elettrone. Quando si interagisce con altre particelle in un materiale, gli elettroni agirebbero come se avessero una massa diversa da quella che hanno originariamente. E questa nuova massa è nota come massa efficace.

Il modello teorico ha dimostrato che maggiore è il rapporto tra questi due parametri, maggiore dovrebbe essere il coefficiente di rifrazione. Primo, i ricercatori hanno testato la loro ipotesi su materiali noti come il silicio per poi rivolgersi a quelli meno studiati. Di conseguenza, hanno scoperto il diseleniuro di renio (ReSe ₂ ), un materiale molto promettente per gli elementi ottici. Si è scoperto che ReSe ₂ ha un coefficiente di rifrazione da 6,5 ​​a 7 nel campo del visibile, che è significativamente superiore a quello del silicio.

Ora, i ricercatori stanno pianificando di avviare una ricerca globale attraverso database aperti delle proprietà elettroniche dei materiali per trovare altre sostanze ad alto coefficiente di rifrazione, precedentemente ignorato dagli specialisti dell'ottica.