Dalla perovskite il super-cristallo più rifrattivo al mondo

Un potere rifrattivo 10 volte superiore a quello del diamante, uno dei materiali con il più alto indice rifrattivo. È quanto scoperto nella perovskite ferroelettrica disordinata da un team di ricercatori della Sapienza in uno studio realizzato con colleghi della Hebrew University of Jerusalem. Sono le prime evidenze sperimentali di un materiale con indice di rifrazione gigante, stimato superiore a 26, per l’intero spettro della luce bianca nel visibile. Un risultato che apre le porte allo sviluppo di tecnologie fotoniche innovative e a nuovi pannelli solari auto-allineanti.

La perovskite straccia il record di rifrazione del diamante

Trovare materiali con un’alta rifrazione, capaci di trasmettere luce visibile è un obiettivo di notevole interesse per lo sviluppo di molte applicazioni. Basti pensare allo sviluppo di lenti ottiche ultrasottili. Infatti, piu alto è  l’indice di rifrazione di una lente, minore è  lo spessore necessario per correggere la vista. Per la luce visibile – spiegano gli autori della ricerca – 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. Fino ad oggi, non si conosceva alcun materiale con indice superiore a 5.

La perovskite ferroelettrica disordinata

Il materiale scoperto con il nuovo studio, pubblicato su Nature Photonics, può fare molto di più. Si tratta della perovskite ferroelettrica disordinata, un ossido di sintesi che ha 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 a 15 gradi Celsius, il suo indice di rifrazione raggiunge quota 26. “A questa temperatura critica – spiega Eugenio Del Re, uno dei fisici della Sapienza che ha partecipato alla ricerca – si forma un mosaico ordinato tridimensionale di polarizzazione spontanea, chiamato super-cristallo. Questo mosaico dà luogo all’aumento enorme della suscettività dielettrica necessaria per ottenere un indice di rifrazione gigante. Insomma, crea le condizioni che permettono alla luce di entrare e uscire”.

Cosa misura l’indice di rifrazione

L’indice di rifrazione è una quantità che permette di descrivere come la luce si propaga all’interno di un materiale e quale cammino percorre. Indica, per esempio, come si piega un fascio di luce quando passa l’interfaccia tra un materiale e un altro (rifrazione) e quanta è  la  luce “rimbalzata” a tale interfaccia (riflessione). Determina anche come la luce si allarga nello spazio (diffrazione) e come si separa nei suoi colori costituenti (dispersione).

Perovskite, un super-cristallo a diffrazione e dispersione zero

“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 nel nostro studio potrà essere sfruttata per l’impiego di 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. È una proprietà straordinaria, finora mai osservata, e potrebbe consentire, per esempio, lo sviluppo di pannelli solari che si auto-allineano.

Dai pannelli solari alla fotonica su luce bianca

Tante le possibili applicazioni teconogiche delle straordinarie caratteristiche della perovskite, uno dei minerali più  diffusi sul pianeta che però è stato identificato e battezzato solo di recente. La perovskite ferroelettrica disordinata, per esempio, potrebbe migliorare la cattura dell’energia solare, grazie a dispositivi ottici privi di dispersione cromatica e diffrazione, o essere impiegato 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