Microscopische kristallen in tantaaldisulfide spelen een hoofdrol in wat een hit zou kunnen worden voor 3D-schermen, virtual reality en zelfs zelfrijdende voertuigen.

Een tweedimensionale reeks van het materiaal heeft unieke optische eigenschappen die kunnen worden gecontroleerd in omgevingscondities en onder algemene verlichting, volgens ingenieur Gururaj Naik en afgestudeerde student Weijian Li van Rice's Brown School of Engineering.

Wanneer ze een tweedimensionale strook van een bulkmonster trekken (met dat beproefde hulpmiddel, plakband) en laat er licht op schijnen, het gelaagde materiaal herschikt de ladingsdichtheidsgolven van elektronen die er doorheen stromen, het veranderen van de brekingsindex.

Licht dat langs de getroffen as wordt uitgestraald, verandert van kleur afhankelijk van de sterkte van het licht dat naar binnen gaat.

De ontdekking wordt gedetailleerd beschreven in het tijdschrift American Chemical Society Nano-letters .

"We hebben een optisch materiaal nodig dat de brekingsindex kan veranderen voor toepassingen zoals virtual reality, 3D-schermen, optische computers en lidar, die nodig is voor autonome voertuigen, " zei Naik, een assistent-professor in elektrische en computertechniek. "Tegelijkertijd, het moet snel zijn. Alleen dan kunnen we deze nieuwe technologieën mogelijk maken."

Tantaal disulfide, een halfgeleidende, gelaagde verbinding met een prismatisch metalen centrum, lijkt te kloppen. Het materiaal staat er al om bekend dat het ladingsdichtheidsgolven bij kamertemperatuur herbergt die aanpassingen aan de elektrische geleidbaarheid mogelijk maken, maar de sterkte van de lichtinput verandert ook de brekingsindex, die de snelheid kwantificeert waarmee licht zich voortplant. Dat maakt het afstembaar, zei Naik.

Bij blootstelling aan licht, de tantaallaag reorganiseert zich in een rooster van 12-atoomsterren, zoals de Davidster of de insignes van de sheriff, die ladingsdichtheidsgolven vergemakkelijken. Hoe deze sterren worden gestapeld, bepaalt of de verbinding langs de c-as isoleert of metaalachtig is.

Het blijkt dat dat ook de brekingsindex bepaalt. Licht triggert de sterren om zich opnieuw uit te lijnen, de golven van de ladingsdichtheid voldoende veranderen om de optische constanten van het materiaal te beïnvloeden.

"Dit behoort tot een klasse van wat we sterk gecorreleerde materialen noemen, wat betekent dat de elektronen sterk met elkaar interageren, " zei Li. "In dit geval, we kunnen de eigenschappen voorspellen die een sterke reactie vertonen op een externe stimulus."

Dat de stimulus net zo mild is als wit omgevingslicht is een pluspunt, voegde Naik toe. "Dit is het eerste materiaal dat we hebben gezien waarbij de interactie van licht niet alleen plaatsvindt met losse deeltjes, maar met een verzameling deeltjes bij elkaar, op kamertemperatuur, " zei hij. Het fenomeen lijkt te werken in tantaaldisulfide zo dun als 10 nanometer en zo dik als een millimeter, hij zei.

"We denken dat dit een belangrijke ontdekking is voor degenen die sterk gecorreleerde materialen bestuderen voor toepassingen, "Zei Naik. "We laten zien dat licht een zeer krachtige knop is om de correlatie in dit materiaal te veranderen."