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INVESTIGACIÓN SOBRE
CRISTALES FOTÓNICOS. ALGUNAS APLICACIONES |
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Esta página
desarrolla contenidos del artículo "Iridiscencia y
cristales fotónicos en Bachillerato",
que se publicó en la Revista Española de
Física (Autores: Manuel Alonso Orts y Manuel Alonso
Sánchez) y obtuvo el Premio de Física 2023
de la Real Sociedad Española de Física y BBVA a la Mejor
Contribución a las Publicaciones de la RSEF en la modalidad
de Enseñanza. |
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La
investigación en cristales fotónicos tiene un gran
impacto en la actualidad, debido, tanto a sus
implicaciones teóricas en el campo de la física de
materiales, como a sus aplicaciones prácticas. Como ya
se ha comentado en la página anterior, los monodimensionales son
utilizados desde hace tiempo como láminas ópticas delgadas, con
aplicaciones que van desde recubrimientos de lentes y espejos
con baja y alta reflexión hasta pinturas que cambian de color y
tintas. |
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Pero son los cristales fotónicos
de mayor dimensionalidad (2D y 3D), los que están
generando ahora mucho interés y la naturaleza ha
ayudado notablemente a la investigación aplicada en
ellos, no sólo enseñando patrones exitosos para la alternancia
de los medios que pueden componer dichos cristales fotónicos,
sino también dando lugar a algunas aplicaciones basadas en
ciertas ventajas que
aporta en el mundo natural la tenencia de dichas
estructuras. |
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Un ejemplo de esto segundo lo
brinda el escarabajo rinoceronte, cuyo caparazón
se estructura en tres capas (imagen a): la
cubierta externa, una capa intermedia porosa y
la capa más interior impregnada de melanina. Las
imágenes microscópicas de la capa intermedia
porosa revelan que tiene una
estructura de cristal fotónico 3D (imagen d),
que, además de afectar al color de
dicho caparazón, permite a estos insectos moverse
con menor fricción en entornos húmedos.
Así ocurre que cuando estos escarabajos se desplazan por
lugares secos (imagen b) el color estructural
que muestran es uno, mientras que cuando lo
hacen por zonas más húmedas (imagen c) dicho
color se modifica, porque a medida que aumenta
la humedad va cambiando
el índice de refracción efectivo en los huecos
de su estructura de cristal fotónico (al irse
rellenando con agua la zona porosa e
iridiscente). |
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El conocimiento de estos hechos ha ayudado
recientemente a que se diseñen sensores de
humedad que
se construyen reproduciendo estructuras
similares a la del caparazón de este escarabajo
y usan el color estructural que reflejan
estas estructuras como parámetro indicador de
la humedad (del mismo modo que un termómetro de
mercurio, por ejemplo, utiliza la altura de la
columna de Hg como parámetro indicativo de la
temperatura).
Como puede verse en la gráfica que se muestra en
la parte inferior de la figura situada a la
derecha de este texto, este tipo de sensor de
humedad tiene
su máxima reflectividad para un valor diferente
de la longitud de
onda dependiendo del nivel de humedad de la
superficie con la que el sensor entra en
contacto: desde un
color azul con una humedad del
25 %, hasta un color
rojo con una humedad del 98 %.
Biologically inspired
humidity sensor based on three-dimensional
photonic crystals (artículo de
Jae Hyun Kim, Jun Hyuk Moon, Seung-Yop Lee, y
Jungyul Park , publicado en 2010 en la revista
Applied Physics Letters) |
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Para
terminar este apartado, nos referimos a una aplicación
de la que se espera que
tenga un gran impacto en el desarrollo
científico-tecnológico, y que está actualmente en
pleno desarrollo: El hecho de que estas estructuras tienen unas propiedades ópticas que
permiten guiar a la luz cuando viaja a través de ellos. |
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En la imagen adjunta situada más a la izquierda
se representa el corte de un cristal fotónico, cuya estructura se ha roto "tapando"
algunos conjuntos ordenados de huecos, que
forman
caminos. En estas condiciones, la luz que cumpla
la condición de Bragg para el diseño periódico
no puede propagarse por el resto del cristal
fotónico y, por ello, se ve forzada
a viajar por esos caminos (imagen a la derecha) |
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Bajo
esta idea, se
diseña la llamada “fibra óptica de cristal fotónico”,
para una longitud de onda deseada. A diferencia de una
fibra óptica convencional, el guiado no se produce por
la diferencia del índice de refracción entre el núcleo y
el revestimiento, sino por los efectos de
interferencia que estamos viendo en estos apartados.
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A la
derecha de este texto se muestra un esquema del corte
transversal de una fibra de cristal fotónico. El índice
de refracción del material, el diámetro de los agujeros
(Air-Hole Diameter) y la periodicidad de los mismos (Pitch),
son los parámetros de la estructura fotónica que
permiten el guiado de la frecuencia o las frecuencias deseadas a lo
largo del núcleo (Core) de la fibra.
Gracias a las
características específicas por las que se produce el
guiado de luz en las fibras de cristal fotónico, éstas
son especialmente atractivas respecto a las fibras
ópticas convencionales en laboratorios de óptica y de
física básica. Una gran ventaja es que pueden guiar la
luz de un único modo, es decir, luz de
una determinada longitud de onda deseada. Las pérdidas de
energía con este sistema de transporte de la luz son muchísimo menores que las que se tienen al
usar las fibras
ópticas convencionales. eso sí, por un mayor precio. Se
pueden comprar fibras ópticas comerciales de proveedores
de óptica como, por ejemplo:
Thorlabs.
Photonic Crystal Fibers
(artículo de Philip Russell publicado en 2003
en la revista Science) |
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Más
allá de las aplicaciones comerciales, las fibras de
cristal fotónico, en combinación con puntos cuánticos,
son un medio ideal para estudiar la interacción
fundamental entre la luz y la materia.
Un
punto cuántico es un "átomo artificial" semiconductor
que, aunque está formado por decenas de miles de átomos,
tiene propiedades ópticas similares a las de los átomos
individuales debido al confinamiento cuántico de los
electrones a una escala de longitud nanométrica. Por
ello, un punto cuántico puede generar, o interaccionar
con, fotones individuales cuando un electrón en el mismo
experimenta una transición entre dos de sus niveles de
energía electrónicos.
La
capacidad de modelar la intensidad de la interacción
luz-materia en nanoestructuras fotónicas integradas como
éstas permite realizar una serie de experimentos
fundamentales de electrodinámica cuántica. En las
últimas dos décadas se han producido enormes avances
experimentales y teóricos en este campo. Además, este
tipo de plataformas pueden servir como fuentes de
fotones individuales altamente eficientes, con
aplicaciones en el procesamiento de información cuántica
fotónica. En
la imagen adjunta situada a la izquierda de este texto
(procedente de
este artículo), se pone en evidencia el tamaño
característico de un punto cuántico en relación con un
átomo y un cristal fotónico. Un solo átomo (a) mide unos
pocos angstrom, mientras que los puntos cuánticos de
InGaAs autoensamblados (b) suelen tener dimensiones de
decenas de nanómetros y constan de aproximadamente 105
átomos. (b) muestra un punto cuántico. Los puntos
cuánticos individuales pueden incrustarse en
nanoestructuras fotónicas para experimentos de óptica
cuántica, un ejemplo de lo cual es (c), que muestra una
imagen de microscopía electrónica de barrido de una guía
de ondas de cristal fotónico, donde el parámetro de red
fotónico (la distancia entre agujeros consecutivos)
suele ser de unos 250 nm. |
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