Los científicos ópticos lo llaman cristal fotónico. Para un gato, se trata de varillas paralelas periódicas:contiene bandas prohibidas fotónicas que se utilizan para modificar el flujo de luz, similar a las bandas prohibidas de electrones en los semiconductores, que son regiones de energía donde no existen estados de energía de electrones. Estos materiales tienen cambios en su índice de refracción y así modifican y redirigen la propagación de la luz.

Otro ejemplo son las señales reflectantes en el pavimento de las carreteras que brillan por la noche con los faros de un coche. Los cristales fotónicos, como estos últimos, se fabrican mediante capas de películas delgadas mediante fotolitografía, perforación, escritura láser y otras técnicas.

Los cristales fotónicos prohíben la luz de ciertas frecuencias en las partes del medio cristalino por las que viaja la luz. Según lo define la ciencia, estos cristales tienen regiones distintas y periódicas, cada una con una constante dieléctrica periódica.

Un dieléctrico es un material eléctricamente aislante, sin electrones ni átomos libres, que se opone al flujo de electrones cuando se aplica un campo eléctrico. En cambio, un material dieléctrico se polariza cuando se aplica un campo eléctrico y todas sus moléculas apuntan en la misma dirección. El agua destilada (agua purificada que no contiene minerales) es un material dieléctrico, al igual que el vidrio, la porcelana, el aire seco, el papel y muchos otros materiales. Los dieléctricos se utilizan en condensadores, pantallas de cristal líquido y otros dispositivos.

Ampliando este concepto, los "cristales fotónicos funcionales" son materiales que tienen un cambio suave y continuo en el índice de refracción, en lugar de una periodicidad marcada y distinta. Esto permite un control electrónico rápido de las propiedades de un material.

Los mismos conceptos existen para los cristales fonónicos. Los fonones son ondas sonoras cuantificadas, al igual que los fotones son ondas de luz cuantificadas. Un cristal fonónico es un sólido con cambios continuos en sus propiedades, creando una banda prohibida para las energías fotónicas. Las estructuras artificiales con una variación periódica de los parámetros elásticos pueden manipular la propagación de ondas elásticas.

Ahora, un equipo dirigido por David Röhlig de la Technische Universität Chemnitz (Alemania) propone crear cristales fonónicos funcionales, con cambios suaves y continuos en las propiedades elásticas en lugar de variaciones periódicas estrictas. La investigación se publica en la revista Europhysics Letters. .

El índice de refracción del sonido cambiaría continuamente dentro del medio de propagación, en lugar de discontinuidades de la función escalonada. En la naturaleza, estas sustancias son responsables de la propagación de ondas largas de las ondas sonoras en el agua y de las ondas sonoras curvadas en la atmósfera inferior.

Utilizando simulaciones por computadora de alto rendimiento, el equipo se centró en comprender el efecto de una pequeña desviación en las propiedades del material de la discontinuidad típica de la función escalonada en la densidad fonónica de los estados de energía.

Sus resultados fueron sorprendentes:incluso pequeñas desviaciones de la función escalonada ideal de un material podrían causar cambios grandes y radicales en la estructura de la banda fonónica. Esto llevaría al surgimiento de muchas características buscadas, como espacios separados de bandas fonónicas más grandes y múltiples espacios vacíos de bandas fonónicas.

Debido a que la densidad fonónica de estados puede cambiar tan rápidamente con sólo pequeños cambios en las propiedades del material, tales propiedades resultarían útiles para fabricar, por ejemplo, lentes fonónicas en materiales sólidos o agua, o para nuevos dispositivos en ciencia de materiales, física aplicada e ingeniería. .

"Nuestros hallazgos presentan una perspectiva novedosa sobre las estructuras fonónicas", dijo Röhlig, "ofreciendo una vía adicional para inducir la formación de banda prohibida en geometrías específicas que carecen de esta característica". Al señalar que la rápida convergencia de la densidad de estados a medida que los parámetros de la función escalonada cambian para ser más continua, Röhlig señala que los rápidos cambios racionalizarían los posibles enfoques de fabricación.

"Si más estudios pueden validar nuestras predicciones experimentalmente, nuestros resultados podrían encontrar aplicaciones en microtecnología y mecatrónica para el diseño de transductores y actuadores acústico-mecánicos", afirmó.

Incluso se podrían moldear entornos a gran escala, "como colocar árboles u otras unidades de construcción de madera, [objetos] que tengan un perfil de parámetros radialmente continuo conocido o especialmente diseñado en cuanto a densidad y propiedades elásticas, para mejorar la insonorización ambiental".