Regenbogen worden gevormd wanneer licht buigt - of breekt - wanneer het een waterdruppel binnenkomt en verlaat. De hoeveelheid die het licht afbuigt is afhankelijk van de kleur van het licht, waardoor wit licht wordt gescheiden in een prachtig kleurenspectrum. De brekingsindex, een van de tools die optische ingenieurs gebruiken om licht te regelen, beschrijft de interactie tussen licht en materie.

Onlangs, materialen met een brekingsindex die verdwijnt, hebben veel belangstelling gekregen in de wetenschappelijke en technische gemeenschap. Deze materialen, zogenaamde epsilon-bijna-nul (ENZ) materialen, veelbelovend voor toepassingen bij het afbeelden van kleine objecten, het detecteren van minieme concentraties van gerichte moleculen (bijv. explosieven, giftige chemicaliën, verontreinigende stoffen) en het mogelijk maken van een nieuwe generatie optische apparaten en circuits.

Een team van de Universiteit van Notre Dame in samenwerking met onderzoekers van de Universiteit van Texas in Austin, Cornell University en de University of Massachusetts in Lowell hebben laten zien hoe de optische eigenschappen van ENZ-materialen kunnen worden ontwikkeld om optische apparaten te verbeteren. Hun werk gebruikt veel van dezelfde materialen die in de industrie worden gebruikt voor krachtige elektronica en zou ooit de integratie van dit nieuwe optische gedrag in optische apparaten mogelijk kunnen maken.

Optische apparaten creëren, elektromagnetische straling manipuleren of meten:licht, zowel het zichtbare als het onzichtbare. Brillen en cameralenzen, microscopen en telescopen, lasers, light-emitting diodes en zonnecellen zijn voorbeelden van veelvoorkomende optische apparaten die zijn ontwikkeld om de wereld te helpen zien en voelen. Elk van deze apparaten maakt op een andere manier gebruik van de brekingsindex.

Het team deelde zijn resultaten in een recent artikel gepubliceerd in Optica Express .

"Veel moleculen hebben vibratiemodi in het midden-infrarode spectrale gebied, en deze trillingen kunnen worden gebruikt om ze te detecteren, " zei Irfan Khan, een doctoraatsstudent elektrotechniek en de hoofdauteur van de paper. "We gebruikten ENZ-materialen om te koppelen aan een speciale optische modus, bekend als de Berreman-modus, om specifieke optische reacties te ontwikkelen in halfgeleidermaterialen die momenteel in de industrie worden gebruikt."

Het ontwikkelen van deze nieuwe optische modi met behulp van halfgeleidermaterialen is een cruciale stap om ENZ-materialen op te nemen in toekomstige optische apparaten en circuits, zegt Anthony Hofman, universitair hoofddocent elektrotechniek en projectleider.

"Het feit dat ENZ-materialen gemakkelijk verkrijgbaar zijn, eenvoudig te fabriceren en goed te bedienen op zeer kleine schaal maakt ze ook ideaal voor een verscheidenheid aan toepassingen."