Uma nova técnica desenvolvida por pesquisadores do MIT revela os detalhes internos dos cristais fotônicos, materiais sintéticos cujas propriedades ópticas exóticas são objeto de ampla pesquisa.

Os cristais fotônicos são geralmente feitos por meio da perfuração de milhões de corpos próximos, orifícios minúsculos em uma placa de material transparente, usando variações de métodos de fabricação de microchip. Dependendo da orientação exata, Tamanho, e espaçamento desses furos, esses materiais podem exibir uma variedade de propriedades ópticas peculiares, incluindo "superlente, "que permite uma ampliação que vai além dos limites teóricos normais, e "refração negativa, "em que a luz é curvada em uma direção oposta ao seu caminho através de materiais transparentes normais.

Mas para entender exatamente como a luz de várias cores e de várias direções se move através dos cristais fotônicos requer cálculos extremamente complexos. Os pesquisadores costumam usar abordagens altamente simplificadas; por exemplo, eles só podem calcular o comportamento da luz ao longo de uma única direção ou para uma única cor.

Em vez de, a nova técnica torna toda a gama de informações diretamente visível. Os pesquisadores podem usar uma configuração de laboratório simples para exibir as informações - um padrão dos chamados "contornos de iso-frequência" - em uma forma gráfica que pode ser simplesmente fotografada e examinada, em muitos casos, eliminando a necessidade de cálculos. O método é descrito esta semana no jornal Avanços da Ciência , em um artigo do pós-doutorado do MIT Bo Zhen, recém-formada pelo Wellesley College e afiliada do MIT Emma Regan, Professores de física do MIT, Marin Soljacic e John Joannopoulos, e quatro outros.

A descoberta desta nova técnica, Zhen explica, surgiu ao observar de perto um fenômeno que os pesquisadores notaram e até utilizaram durante anos, mas cujas origens eles não haviam entendido anteriormente. Padrões de luz espalhada pareciam se espalhar a partir de amostras de materiais fotônicos quando as amostras eram iluminadas por luz laser. A dispersão foi surpreendente, uma vez que a estrutura cristalina subjacente foi fabricada para ser quase perfeita nesses materiais.

"Quando tentávamos fazer uma medição laser, sempre veríamos esse padrão, "Zhen diz." Nós vimos esta forma, mas não sabíamos o que estava acontecendo. "Mas ajudou-os a alinhar a configuração experimental de maneira adequada, porque o padrão de luz espalhada apareceria assim que o feixe de laser estivesse devidamente alinhado com o cristal. Após uma análise cuidadosa, eles perceberam que os padrões de dispersão eram gerados por pequenos defeitos no cristal - orifícios que não eram perfeitamente redondos ou que eram ligeiramente afilados de uma extremidade à outra.

“Existe desordem de fabricação mesmo nas melhores amostras que podem ser feitas, "Regan diz." As pessoas pensam que a dispersão seria muito fraca, porque a amostra é quase perfeita, "mas acontece que em certos ângulos e frequências, a luz se espalha com muita força; até 50 por cento da luz que entra pode ser espalhada. Ao iluminar a amostra, por sua vez, com uma sequência de cores diferentes, é possível construir uma tela completa dos caminhos relativos que os feixes de luz tomam, em todo o espectro visível. A luz espalhada produz uma visão direta dos contornos da iso-frequência - uma espécie de mapa topográfico da maneira como os feixes de luz de diferentes cores se dobram à medida que passam pelo cristal fotônico.

"Isto é muito bonito, maneira muito direta de observar os contornos da iso-frequência, "Soljacic diz." Você apenas ilumina a amostra, com a direção e frequência corretas, "e o que surge é uma imagem direta das informações necessárias, ele diz.

A descoberta pode ser potencialmente útil para uma série de aplicações diferentes, a equipe diz. Por exemplo, pode levar a uma maneira de tornar grande, telas transparentes, onde a maior parte da luz passaria direto como se fosse uma janela, mas a luz de frequências específicas seria espalhada para produzir uma imagem nítida na tela. Ou, o método poderia ser usado para fazer exibições privadas que só seriam visíveis para a pessoa diretamente na frente da tela.

Por se basear em imperfeições na fabricação do cristal, este método também pode ser usado como uma medida de controle de qualidade para a fabricação de tais materiais; as imagens fornecem uma indicação não apenas da quantidade total de imperfeições, mas também sua natureza específica, isto é, se o distúrbio dominante na amostra vem de orifícios não circulares ou gravações que não são retas - para que o processo possa ser ajustado e melhorado.

A equipe também incluiu pesquisadores do Laboratório de Pesquisa de Eletrônica do MIT, incluindo Yuichi Igarashi (agora na NEC Corporation no Japão), Ido Kaminer, Chia Wei Hsu (agora na Universidade de Yale), e Yichen Shen. O trabalho foi apoiado pelo Escritório de Pesquisa do Exército por meio do Instituto de Nanotecnologias de Soldados do MIT, e pelo Departamento de Energia dos EUA por meio da S3TEC, um centro de fronteira de energia.