Scoperto l'enorme potere rifrattivo della perovskite disordinata

Un team di ricerca del Dipartimento di Fisica della Sapienza e della Hebrew University of Jerusalem ha osservato nel materiale un indice di rifrazione gigante capace di trasmettere luce visibile. La ricerca, che apre la strada per nuovi dispositivi altamente innovativi, quali lenti ultrasottili e pannelli solari auto-allineanti, è stata pubblicata su Nature Photonics

Trovare materiali con un’alta rifrazione, capaci di trasmettere luce visibile, è un obiettivo di notevole interesse per lo sviluppo di molte applicazioni. Nella realizzazione di lenti ottiche, per esempio, più è elevato l’indice di rifrazione di una lente, minore sarà lo spessore 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. A oggi non si conoscono materiali con indice maggiore di 5.

Un team di ricerca guidato da Eugenio Del Re e Fabrizio Di Mei del Dipartimento di Fisica della Sapienza, in collaborazione con la Hebrew University of Jerusalem, 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.
Si tratta della perovskite ferroelettrica disordinata, un ossido di sintesi con una struttura cristallina così particolare da poter ospitare un ampio spettro di elementi e mostrare quindi una grande varietà di proprietà fisiche.
Quando il materiale è mantenuto a una determinata temperatura, precisamente a 15 gradi Celsius, manifesta un indice di rifrazione così elevato. “A questa temperatura critica – spiega Eugenio Del Re – si forma un mosaico ordinato tridimensionale di polarizzazione spontanea, chiamato super-cristallo. Questo mosaico dà 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”.

L'indice di rifrazione è una quantità macroscopica adimensionale che permette di descrivere come la luce si propaga e quale cammino percorre in un materiale. Tale indice determina, per 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 – continua Del Re – per questo motivo, l’evidenza sperimentale mostrata potrà essere sfruttata per l’impiego dei materiali con struttura perovskitica in dispositivi innovativi”.

L’elevato indice di rifrazione rende infatti 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 perpendicolarmente rispetto alla faccia del cristallo in cui entra, indipendentemente dall’angolo di incidenza. Una proprietà finora mai osservata e che potrebbe consentire, per esempio, 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.

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 - Nature Photonics https://dx.doi.org/10.1038/s41566-018-0276-3