Osservato un materiale con indice di rifrazione maggiore di 26 per la luce visibile

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Giovedì, 25 Ottobre, 2018

 
 
COMUNICATO STAMPA
ROMA, 22 ottobre 2018
OSSERVATO UN MATERIALE CON INDICE DI RIFRAZIONE MAGGIORE DI 26 PER LA LUCE VISIBILE
La ricerca pubblicata su Nature Photonics
 
 
L' indice di rifrazione è una quantità macroscopica adimensionale che permette di descrivere come la luce si propaghi e quale cammino essa percorra in un materiale. Tale indice determina, ad esempio, come un fascio di luce si piega passando l’interfaccia che separa un materiale da un altro (rifrazione) e quanta sia la quantità di luce riflessa a tale interfaccia (riflessione).  Determina anche come la luce si allarga nello spazio (diffrazione), e come si separa nei suoi colori costituenti (dispersione). Maggiore è il valore dell’indice di rifrazione, tanto più si riducono diffrazione, dispersione e angolo di rifrazione. Trovare sostanze con indici alti di rifrazione capaci di trasmettere luce visibile è quindi un obiettivo di notevole interesse per molte applicazioni in ottica. Ad esempio, più è elevato l’indice di rifrazione di una lente per la vista, minore sarà lo spessore della lente richiesto per correggere la vista. 
Per la luce visibile, uno dei valori più elevati conosciuti è quello del diamante, pari a circa 2,4 mentre il vetro ha 1,5 e l’acqua 1,3. Ad oggi non si conoscono materiali con indice maggiore a 5.  
Adesso, un gruppo di ricercatori dell’Università di Roma La Sapienza e della Hebrew University of Jerusalem, coordinato da Eugenio Del Re e Fabrizio Di Mei,
ha mostrato la prima evidenza sperimentale di un materiale con un indice di rifrazione gigante, stimato superiore a 26, per l’intero spettro della luce bianca nel visibile. Questo valore così elevato si manifesta quando il materiale, una perovskite ferroelettrica disordinata, è mantenuto ad una precisa temperatura, precisamente a 15 gradi Celsius. A questa temperatura critica si forma un mosaico ordinato tridimensionale di polarizzazione spontanea, chiamato super-cristallo.  Questo mosaico da luogo all’aumento enorme della suscettività dielettrica necessario per ottenere un indice di rifrazione gigante e realizza le condizioni per consentire alla luce di entrare e uscire.
Il fenomeno rende possibile che un fascio di luce bianca si propaghi nel cristallo senza diffrazione e senza dispersione, come se lo spazio occupato dalla sostanza non esistesse. Il risultato è un fascio che si propaga perpendicolare alla faccia del cristallo in cui entra indipendentemente dall’angolo di incidenza, una proprietà finora mai osservata che potrebbe consentire lo sviluppo di pannelli solari che si auto-allineano.
Questi risultati aprono la strada per applicazioni nel campo dei dispositivi per la cattura dell’energia solare, per dispositivi ottici privi di dispersione cromatica e diffrazione, e per una avveniristica fotonica basata su luce bianca.
 
Immagine1.: Particolare mostrando luce bianca focalizzata da un obiettivo da microscopio sulla faccia di ingresso del cristallo. La luce viene trasmessa senza allargarsi o separarsi in colori attraverso il materiale.

Immagine2.La luce dentro il materiale si propaga senza allargarsi e senza subire la dispersione cromatica, ovvero l’effetto arcobaleno tipico del prisma di Newton, che invece si osserva nella luce riflessa dal supporto metallico.


 
Riferimenti:
 
Giant broadband refraction in the visible in a ferroelectric perovskite
 
Fabrizio Di Mei, Ludovica Falsi, Mariano Flammini, Davide Pierangeli, Paolo Di Porto, Aharon J. Agranat and Eugenio DelRe
 
link articolo: https://www.nature.com/articles/s41566-018-0276-3
Nature Photonics  https://dx.doi.org/10.1038/s41566-018-0276-3
 
Info:
Eugenio Del Re
Dipartimento di Fisica, Sapienza Università di Roma
T (+39) 0649913501
Email
eugenio.delre@uniroma1.it
 
Fabrizio Di Mei
Dipartimento di Fisica, Sapienza Università di Roma
Email
fabrizio.dimei@uniroma1.it
 
 


 
PRESS RELEASE
ROME, 22nd of October 2018
A material with an index of refraction larger than 26 for white visible light
Finding published in Nature Photonics
 
The index of refraction of a material is a dimensionless parameter that describes how light propagates through it and what path it follows. The index determines, for example, how a light beam bends passing through an interface between two substances (refraction) and how much light is reflected at the boundary (reflection).  It also governs how light spreads in space (diffraction) and how it separates into its different colors (dispersion). The higher the value of the index of refraction, the lower the diffraction, dispersion, and refraction angle. Discovering and developing substances with a high index of refraction able to transmit visible light is hence a basic goal in optical technology.  For example, the higher the refractive index, the thinner the lens required for eyesight correction.
For visible light, one of the highest refractive indexes is that of diamond, with a value of 2.4, while glass has 1.5 and water 1.3 . To date, the highest known index of refraction is 5. 
A group of researchers at the University of Rome La Sapienza and the Hebrew University of Jerusalem, led by Eugenio DelRe and Fabrizio Di Mei, has reported direct evidence of a material with a giant index of refraction, larger than 26, for the entire visible spectrum of white light. This anomalously high value occurs when the material, a disordered ferroelectric perovskite, is kept at a precise temperature, specifically 17 degrees Celsius.  At this critical temperature a three-dimensional ordered mosaic of spontaneous polarization forms, a so-called super-crystal.  This pattern causes the huge increase in dielectric susceptibility required to observe the giant index of refraction and supports the conditions that allow light to enter and leave the giant index material.
The effect allows a white light beam to propagate without diffraction and dispersion, as if the space occupied by the material does not exist. The result is light that propagates in a direction perpendicular to the crystal face irrespective of the input beam angle, a hereto unobserved property that could allow the development of self-aligning solar panels.
Results open the way to new ideas in solar power systems, in optical devices without chromatic dispersion and diffraction, and to the development of something that might be called “white light photonics”.
 
 
Image1: Snapshot showing white light focused onto the input facet of the sample by a high-aperture microscope objective. Light is transmitted without spreading and without separating into the constituent colors.

Image2: Light inside the material propagates without spreading and without undergoing chromatic dispersion, i.e., without suffering the rainbow effect typical of Newton’s prism, that is instead visible for light scattered by the metallic support.