Se predice que los cristales fotónicos serán una de las maravillas del siglo XXI. En el siglo 20, La nueva comprensión de la estructura de la banda electrónica —la física que determina cuándo un sólido conduce o aísla— revolucionó el mundo. Esa misma física cuando se aplica a cristales fotónicos, nos permite controlar la luz de manera similar a como controlamos los electrones. Si los cristales fotónicos cumplen su promesa, Los transistores totalmente ópticos que consumen poca energía y permiten computadoras aún más potentes podrían convertirse en una realidad.

Pero, ese destino aún no está a la vista. El problema es de control. Tenemos un control exquisito sobre la fabricación de circuitos integrados electrónicos, y los semiconductores y electrones son muy flexibles, si desea cambiar la energía de un electrón, simplemente aplique un voltaje.

Controlar la fabricación de cristales fotónicos es más difícil. Cada pequeña estructura tiene que ser fabricada, replicada y colocada con precisión. Una vez hecho, un cristal fotónico no cambia, lo que la hace muy inflexible. Igualmente, las energías de los fotones no se pueden cambiar tan eficientemente como las energías de los electrones. El resultado es si los cristales fotónicos son el futuro de la informática, tendremos que aprender a hacerlos de una manera que permita modificarlos sobre la marcha.

Películas fluidas onduladas como metasuperficies

En un nuevo Fotónica avanzada papel, Shimon Rubin y Yeshaiahu Fainman de la Universidad de California en San Diego han demostrado cómo podría ser posible crear un cristal fotónico flexible pero duradero a partir de un líquido. Realizaron una serie de cálculos para predecir la formación y el rendimiento de un cristal fotónico basándose en un calentamiento muy localizado en películas delgadas líquidas.

Los líquidos generalmente no se consideran una gran opción para un cristal fotónico porque los líquidos no tienen una estructura fija. Las propiedades ópticas de un cristal fotónico dependen de que la luz pueda reflejar millones de estructuras colocadas con precisión. Pero los líquidos fluyen y refluyen por lo que las estructuras se eliminan rápidamente.

Sin embargo, Rubin y Fainman notaron que en la interfaz entre una fina película líquida y un sólido o gas, la interacción entre la tensión superficial del líquido y la temperatura local puede crear una estructura pequeña (por ejemplo, el líquido se amontona para crear una pequeña colina). Sin embargo, no se sabía si las estructuras eran lo suficientemente significativas como para funcionar como una metasuperficie (un tipo de cristal fotónico) y modificar la propagación de la luz.

Los investigadores investigaron varios arreglos de películas líquidas que permiten que la luz sea guiada (al menos parcialmente) dentro del líquido. Para obtener una estructura, los investigadores consideraron cómo la absorción de luz podría calentar el líquido. Mediante el uso de ondas de luz que se cruzan entre sí en diferentes ángulos dentro de la película, Se crea un patrón de parches brillantes y oscuros; este patrón se llama patrón de onda estacionaria. El líquido absorbe energía solo de los parches brillantes, por eso, el líquido solo se calentará en lugares muy específicos.

Fluidos flexibles

Los investigadores utilizaron las propiedades ópticas y térmicas del líquido, combinado con ecuaciones de dinámica de fluidos y propagación de la luz para calcular el calor absorbido por el fluido, y cómo eso haría que se deforme localmente. Los investigadores demostraron que se podían obtener arreglos periódicos de colinas y valles en la película líquida cruzando entre dos y cuatro ondas de luz. Dos ondas de luz crean líneas de colinas y valles, tres ondas de luz crean arreglos hexagonales de colinas y valles, mientras que cuatro haces de luz crean una disposición de tablero de ajedrez. A continuación, se calcularon las propiedades ópticas a partir de estos arreglos espaciales.

Para demostrar la utilidad de la metasuperficie propuesta, los investigadores calcularon el umbral de un láser. Si se agrega un medio de ganancia como un tinte al fluido, la deformación periódica del líquido como se describe anteriormente puede conducir a la formación de resonadores, capaz de soportar modos láser. La modificación de la simetría del cristal líquido fotónico permite controlar la frecuencia y la dirección de emisión del modo láser.

Los cristales fotónicos líquidos parecen tener algunas propiedades muy agradables. Debido a que la luz se usa para crear el patrón en líquido, el patrón se forma de forma natural y sin errores. Y, el patrón se puede cambiar sobre la marcha cambiando el ángulo entre las ondas de luz, o longitud de onda de la luz utilizada para crear el patrón. Incluso se pueden crear patrones en movimiento modulando una de las ondas de luz. Esta flexibilidad inherente debería permitir muchas aplicaciones interesantes en, por ejemplo, computación y salud. Sin embargo, el éxito de este enfoque dependerá de una demostración física del concepto básico.