En una de las digresiones de la clase de hoy, surgió la pregunta sobre la diferencia entre el tratamiento electromagnético de los materiales (artificiales o naturales) construidos a partir de subestructuras con tamaños mucho menores que la longitud de onda (creo que esto surgió por el caso de las fuentes atómicas o moleculares de la atmósfera) y el tratamiento para materiales construidos a partir de subestructuras con tamaños comparables con la longitud de onda. En esta segunda categoría mencioné a los cristales fotónicos , que son materiales con una modulación periódica de sus propiedades constitutivas. Esta modulación periódica produce bandas de frecuencias permitidas y prohibidas para la propagación de ondas electromagnéticas, básicamente el mismo efecto ondulatorio por el que los potenciales peródicos en los cristales semiconductores producen bandas de energía prohibida para la propagación electrónica. Según su periodicidad, los cristales fotónicos se clasifican en 1D, 2D y 3D

Los ópalos artificiales son cristales fotónicos 3D que imitan a los ópalos naturales

La condición de bandas prohibidas surge como consecuencia de efectos de interferencia y se conoce como “condición de Bragg”: la diferencia de camino óptico en el scattering de radiación entre dos centros dispersores contiguos debe ser un múltiplo entero de longitudes de onda. Por este motivo, la periodicidad de un cristal fotónico tiene que ser comparable con la longitud de onda, de esta manera la radiación usada “ve” una estructura fuertemente inhomogénea que no podrá caracterizarse mediante parámetros efectivos como la permitividad eléctrica o el índice de refracción.

Debido a los efectos de interferencia, los cristales con periodos más grandes dan bandas prohibidas en  mayores longitudes de onda. Esto se ve en la figura,

donde el cristal fabricado con esferas de radio más grande tiene una banda prohibida en el rojo (o sea que refleja mejor el color rojo), mientras que el cristal fabricado con esferas de radio menor tiene una banda prohibida en el azul (o sea que refleja mejor el color azul).

Por estar en la zona intermedia, no es nada fácil correlacionar tamaños y geometrías con las propiedades ópticas, como se puede ver en este trabajo, que hicimos en colaboración con un grupo español interesado en determinar el grado de perfección de sus métodos de fabricación a través de la comparación entre nuestras resultados teóricos (ideales) y las curvas reales obtenidas experimentalmente.

En este link está la nota que salió hace poco en NeX ciencia (Noticias Exactas), sobre una nueva técnica que a la vez permite protejer y colorear metales como el aluminio mediante estas estructuras de cristales fotónicos.

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