Un cristal fotónico es una nanoestructura óptica en la que el índice de refracción cambia periódicamente. Esto afecta a la propagación de la luz del mismo modo que la estructura de los cristales naturales da lugar a la difracción de rayos X y que las redes atómicas (estructura cristalina) de los semiconductores afectan a su conductividad de electrones . Los cristales fotónicos se encuentran en la naturaleza en forma de coloración estructural y reflectores animales y, como se producen artificialmente, prometen ser útiles en una variedad de aplicaciones.
Los cristales fotónicos se pueden fabricar para una, dos o tres dimensiones. Los cristales fotónicos unidimensionales pueden estar hechos de capas de película delgada depositadas una sobre otra. Los bidimensionales se pueden hacer mediante fotolitografía o perforando agujeros en un sustrato adecuado. Los métodos de fabricación para los tridimensionales incluyen la perforación en diferentes ángulos, el apilamiento de múltiples capas 2-D una encima de la otra, la escritura directa con láser o, por ejemplo, instigar el autoensamblaje de esferas en una matriz y disolver las esferas.
Los cristales fotónicos pueden, en principio, encontrar usos donde sea que se deba manipular la luz. Por ejemplo, los espejos dieléctricos son cristales fotónicos unidimensionales que pueden producir espejos de ultra alta reflectividad a una longitud de onda específica. Los cristales fotónicos bidimensionales llamados fibras de cristal fotónico se utilizan para la comunicación por fibra óptica , entre otras aplicaciones. Es posible que algún día los cristales tridimensionales se utilicen en computadoras ópticas y podrían conducir a células fotovoltaicas más eficientes . [3]
Aunque la energía de la luz (y toda la radiación electromagnética ) se cuantifica en unidades llamadas fotones , el análisis de los cristales fotónicos solo requiere física clásica . "Fotónico" en el nombre es una referencia a la fotónica , una designación moderna para el estudio de la luz ( óptica ) y la ingeniería óptica. De hecho, la primera investigación sobre lo que ahora llamamos cristales fotónicos puede haber sido en 1887 cuando el físico inglés Lord Rayleigh experimentó con pilas dieléctricas multicapa periódicas , demostrando que pueden efectuar una banda prohibida fotónica en una dimensión. El interés de la investigación creció con el trabajo en 1987 de Eli Yablonovitchy Sajeev John sobre estructuras ópticas periódicas con más de una dimensión, ahora llamadas cristales fotónicos.
Los cristales fotónicos están compuestos de microestructuras o nanoestructuras dieléctricas periódicas , metalodieléctricas o incluso superconductoras que afectan la propagación de ondas electromagnéticas de la misma manera que el potencial periódico en un cristal semiconductor afecta la propagación de electrones , determinando las bandas de energía electrónica permitidas y prohibidas . Los cristales fotónicos contienen regiones que se repiten regularmente de alto y bajo índice de refracción . Las ondas de luz pueden propagarse a través de esta estructura o puede que no se permita la propagación, dependiendo de su longitud de onda. Las longitudes de onda que pueden propagarse en una dirección determinada se denominanlos modos y los rangos de longitudes de onda que se propagan se denominan bandas . Las bandas no permitidas de longitudes de onda se denominan brechas de banda fotónica . Esto da lugar a distintos fenómenos ópticos, como la inhibición de la emisión espontánea , [4] espejos omnidireccionales de alta reflexión y guía de ondas de baja pérdida . La banda prohibida de los cristales fotónicos puede entenderse como la interferencia destructiva de múltiples reflejos de luz que se propagan en el cristal en cada interfaz entre capas de regiones de alto y bajo índice de refracción, similar a las bandas prohibidas de los electrones en los sólidos.
La periodicidad de la estructura del cristal fotónico debe ser alrededor o mayor que la mitad de la longitud de onda (en el medio) de las ondas de luz para que se presenten los efectos de interferencia. La luz visible varía en longitud de onda entre aproximadamente 400 nm (violeta) y aproximadamente 700 nm (rojo) y la longitud de onda resultante dentro de un material requiere dividirla por el índice de refracción promedio . Las regiones repetidas de alta y baja constante dieléctrica deben, por lo tanto, fabricarse a esta escala. En una dimensión, esto se logra rutinariamente utilizando las técnicas de deposición de película delgada .