Cristais fotônicos

Cristais fotônicos – Definição

Cristais fotônicos são estruturas dielétricas periódicas projetadas para formar a estrutura de banda de energia para fótons, que permite ou proíbe a propagação de ondas eletromagnéticas de certas faixas de frequência, tornando-os ideais para aplicações de coleta de luz.

Um cristal fotônico é a analogia óptica com uma rede cristalina, onde os átomos ou moléculas são organizados periodicamente e o potencial periódico introduz lacunas na estrutura da banda de energia do cristal.

Avanços recentes em cristais fotônicos têm sido discutidos em termos de banda proibida/engenharia de defeitos.

Cristais fotônicos – O que é

Os cristais fotônicos, também conhecidos como materiais fotônicos de uma banda proibida, são nanoestruturas periódicas que podem direcionar seletivamente os comprimentos de onda da luz da mesma maneira que os semicondutores em um chip de computador permitem seletivamente certas bandas de energia eletrônica. O termo “banda proibida” refere-se apenas a lacunas na faixa espectral de luz que brilha. Um arco-íris, por exemplo, não possui gaps de banda, porque a água é transparente e não absorve nenhuma frequência específica.

Um arco-íris passando por um cristal fotônico teria lacunas seletivas, dependendo da nanoestrutura específica dentro do cristal.

Existem alguns materiais naturais que se aproximam da estrutura de um cristal fotônico. Uma delas é a pedra preciosa opala. Sua iridescência semelhante ao arco-íris é causada por nanoestruturas periódicas internas.

A periodicidade da nanoestrutura determina quais comprimentos de onda de luz são permitidos e quais não são. O período da estrutura deve ser metade do comprimento de onda da luz que é permitida.

Os comprimentos de onda de passagem permitidos são conhecidos como “modos”, enquanto os comprimentos de onda proibidos são os gaps fotônicos. Uma opala não é um verdadeiro cristal fotônico porque não possui um intervalo de banda completo, mas se aproxima de um suficientemente próximo para os propósitos deste artigo.

Outro material natural que inclui um cristal fotônico são as asas de algumas borboletas, como as do gênero Morpho. Estes dão origem a belas asas iridescentes azuis.

Um arco-íris passando por um cristal fotônico teria lacunas seletivas,
dependendo da nanoestrutura específica dentro do cristal

Os cristais fotônicos foram estudados pela primeira vez pelo famoso cientista britânico Lord Raleigh em 1887. Um cristal fotônico unidimensional sintético chamado espelho de Bragg foi o objeto de seus estudos.

Embora o próprio espelho de Bragg seja uma superfície bidimensional, ele só produz o efeito de intervalo de banda em uma dimensão.

Estes têm sido usados para produzir revestimentos reflexivos onde a banda de reflexão corresponde ao gap fotônico.

Uma opala não é um verdadeiro cristal fotônico porque carece de um
intervalo de banda completo, mas se aproxima de um

Cem anos depois, em 1987, Eli Yablonovitch e Sajeev John sugeriram a possibilidade de cristais fotônicos bidimensionais ou tridimensionais, que produziriam gaps em várias direções diferentes ao mesmo tempo.

Rapidamente percebeu-se que tais materiais teriam inúmeras aplicações em ótica e eletrônica, como LEDs, fibra ótica, lasers nanoscópicos, pigmento ultrabranco, antenas de rádio e refletores e até computadores óticos.

A pesquisa em cristais fotônicos está em andamento.

Um dos maiores desafios na pesquisa de cristais fotônicos é o tamanho minúsculo e a precisão necessária para produzir o efeito de intervalo de banda. A síntese de cristais com nanoestruturas de período é bastante difícil com as tecnologias de fabricação atuais, como a fotolitografia.

Cristais fotônicos 3-D foram projetados, mas fabricados apenas em uma escala extremamente limitada.

Talvez com o advento da fabricação de baixo para cima, ou nanotecnologia molecular, a produção em massa desses cristais se torne possível.

Cristais fotônicos – Estruturas

Cristais fotônicos

Cristais fotônicos são compostos de dielétricos periódicos ou (nano)estruturas metalo-dielétricas que afetam a propagação de ondas eletromagnéticas da mesma forma que o potencial periódico em um cristal semicondutor afeta o movimento do elétron definindo bandas de energia eletrônica permitidas e proibidas.

Essencialmente, os cristais fotônicos contêm regiões internas repetidas regularmente de alta e baixa constante dielétrica. Os fótons (comportando-se como ondas) se propagam por essa estrutura – ou não – dependendo de seu comprimento de onda. Comprimentos de onda de luz (fluxo de fótons) que podem viajar são conhecidos como “modos”.

Bandas não permitidas de comprimentos de onda são chamadas de gaps fotônicos. Isso dá origem a fenômenos ópticos distintos, como inibição de emissão espontânea, espelhos omnidirecionais de alta reflexão e guia de onda de baixa perda, entre outros.

Como o fenômeno físico básico é baseado na difração, a periodicidade da estrutura do cristal fotônico deve ser da mesma escala de comprimento que metade do comprimento de onda das ondas eletromagnéticas, ou seja, ~ 200 (azul) a 350 (vermelho) nm para cristais fotônicos operando na parte visível do espectro – as regiões repetidas de altas e baixas constantes dielétricas devem ser desta dimensão.

Isso torna a fabricação de cristais fotônicos ópticos incômoda e complexa.

Cristais fotônicos – História

A forma mais simples de um cristal fotônico é uma estrutura periódica unidimensional, como um filme multicamada (um espelho de Bragg); a propagação de ondas eletromagnéticas em tais sistemas foi estudada pela primeira vez por Lord Rayleigh em 1887, que mostrou que qualquer sistema unidimensional tem um intervalo de banda.

Os sistemas periódicos unidimensionais continuaram a ser estudados extensivamente e apareceram em aplicações de revestimentos reflexivos onde a banda de reflexão corresponde ao gap fotônico e a lasers de diodo de feedback distribuído (DFB) onde um defeito cristalográfico é inserido no gap fotônico para definir o comprimento de onda do laser. Estruturas ópticas periódicas bidimensionais, sem gaps, receberam estudos limitados nas décadas de 1970 e 1980.

A possibilidade de cristais periódicos bidimensionais e tridimensionais com lacunas de banda bidimensionais e tridimensionais correspondentes não foi sugerida até 100 anos depois de Rayleigh, por Eli Yablonovitch e Sajeev John em 1987, e tais estruturas desde então tem visto um interesse crescente por vários grupos de pesquisa em todo o mundo, com aplicações potenciais, incluindo LEDs, fibra óptica, lasers nanoscópicos, pigmento ultrabranco, antenas e refletores de radiofrequência e circuitos fotônicos integrados.

Muitos grupos de pesquisa exploram o controle do ritmo de emissão de luz usando cristais fotônicos 3D. verificaram a previsão de 17 anos do físico americano Eli Yablonovitch que iniciou uma corrida mundial para construir minúsculos “chips” que controlam feixes de luz.

Os pesquisadores dizem que tem muitos usos potenciais, não apenas como uma ferramenta para controlar sistemas ópticos quânticos, mas também em lasers em miniatura eficientes para telas e telecomunicações, em células solares e até mesmo em futuros computadores quânticos.

Cristais fotônicos – Resumo

Cristais fotônicos

Os cristais fotônicos são (nano) estruturas óticas periódicas projetadas para afetar o movimento dos fótons de maneira semelhante à periodicidade de um cristal semicondutor que afeta o movimento dos elétrons.

Os cristais fotônicos são meios ópticos contendo uma nanoestrutura periódica – tipicamente, uma variação periódica do índice de refração, onde os períodos ocorridos são da ordem do comprimento de onda óptico.

Embora em alguns casos haja um contraste de índice de refração bastante grande, por exemplo, entre um vidro ou um semicondutor e o ar, contrastes de índice de refração muito mais baixos ocorrem em outros casos.

Algumas das propriedades particularmente notáveis dos cristais fotônicos – por exemplo, lacunas de bandas fotônicas completas – surgem principalmente em casos com alto índice de contraste, e é por isso que alguns autores sugerem exigir um alto índice de contraste para cristais fotônicos.

Existe uma semelhança óbvia entre cristais fotônicos e metamateriais fotônicos: os últimos também costumam envolver um arranjo periódico de estruturas com efeitos ópticos. No entanto, os metamateriais fotônicos possuem uma estruturação em uma escala de sub-comprimento de onda, de forma que essas estruturas parecem ser homogêneas para campos ópticos, e as notáveis propriedades resultantes não são explicadas com estruturas de bandas fotônicas, mas essencialmente com valores incomuns do índice de refração.

Fonte: www.rp-photonics.com/www.sciencedirect.com/www.wisegeek.com/www.chemeurope.com/www.quantiki.org/optics.ansys.com