如果你要打破规则,就要确保每个人都看到它。这就是莱斯大学工程师的目标,他们试图用新的技术加强虚拟现实、3D显示和一般光学技术的屏幕。莫斯规则(Moss rule)描述了一种材料的光学吸收和它如何折射光线之间的权衡,这一规则已经被莱斯大学乔治-R-布朗工程学院的电气和计算机工程副教授Gururaj Naik和应用物理学研究生项目校友Chloe Doiron打破。

他通过开发一种在纳米级操纵光的方法完成了这一创举,这似乎更像是一个准则而不是规则,因为确实存在少数"超级莫斯"半导体,其中之一是黄铁矿,通常被称为愚人金。

奈克、Doiron和共同作者Jacob Khurgin(约翰霍普金斯大学电气和计算机工程教授)发现黄铁矿作为纳米光子材料的效果特别好。他们最近在《先进光学材料》杂志上发表了他们的发现,这可能会带来更好更小的可穿戴电子产品。

莱斯大学创建的黄铁矿元表面的扫描电子显微镜图像,以测试其超越莫斯规则的能力,该规则描述了材料的光学吸收和它如何折射光线之间的权衡。这项研究显示了改善虚拟现实和3D显示的屏幕以及一般光学技术的潜力。

更重要的是,他们已经开发出一种技术,用于发现违背莫斯规则的材料,并为显示器和传感应用提供有利的光处理特性。

"在光学领域,我们仍然局限于很少的材料,"奈克说。"我们的周期表真的很小。但是有很多材料根本不为人所知,只是因为我们还没有发展出任何关于如何找到它们的见解。这就是我们想要展示的东西。"有一些物理学可以在这里应用,以列出材料的短名单,然后帮助我们寻找那些可以让我们达到任何工业需求的材料。"

"比方说,我想设计一个LED或波导,工作在一个特定的波长,比如说1.5微米,"奈克说。"对于这个波长,我想要最小的波导,它有最小的损耗,这意味着它能最好地限制光线。"

选择一种在该波长下具有最高折射率的材料通常会保证成功,这通常是对所有纳米级光学设备的要求,材料必须有一个略高于感兴趣的波长的带隙,因为那是我们开始看到较少的光线通过的地方。

"硅的折射率约为3.4,是黄金标准,"奈克说。"但我们开始问,我们是否可以超越硅,达到5或10的指数?"

这促使他们寻找其他的光学选择。为此,他们开发了他们的公式来识别超莫斯电介质。

"在这项工作中,我们给了人们一个配方,可以应用于公开的材料数据库来识别它们,"奈克说。研究人员在将他们的理论应用于1056种化合物的数据库后,确定了用黄铁矿进行实验,在三个带隙范围内搜索那些具有最高折射率的化合物。三种化合物与黄铁矿一起被确定为超级莫斯候选,但是黄铁矿的低成本和在光伏和催化应用中的长期使用使它成为实验的最佳选择。

奈克说:"愚人金传统上一直在天体物理学中被研究,因为它通常在星际碎片中被发现。但是在光学方面,它却鲜为人知。"

他指出黄铁矿已被研究用于太阳能电池,在这种情况下,他们显示了可见光波段的光学特性,在那里它显现出真正的损耗,但这只是一条线索,因为当某样东西在可见光频率下有极大的损耗时,它很可能在近红外线下有很高的折射率。

因此,实验室制作了光学级的黄铁矿薄膜。对这种材料的测试显示,其折射率为4.37,带隙为1.03电子伏特,比莫斯规则所预测的性能高出约40%。这很好,但是持续搜索可以--而且很可能会找到更好的材料,许多候选材料,其中一些甚至还没有被制造出来。