Figura 1:Um fino cristal fotônico 3D com uma nanoestrutura semelhante a diamante é iluminado por luz branca de qualquer direção incidente (seta preta). Muitas cores são fortemente refletidas omnidirecionalmente, independentemente do ângulo de incidência (seta preta). Neste exemplo, essas são as cores do laranja ao azul. Crédito:University of Twente
Por meio de cálculos avançados, físicos e matemáticos da Universidade de Twente descobriram que um fino, nanoestrutura fotônica semelhante a diamante reflete uma gama surpreendentemente ampla de cores de luz, de todos os ângulos. Isso faz com que o material tenha um grande potencial como refletor traseiro para aumentar a eficiência das células solares ou pequenas fontes de luz no chip.
Os resultados foram publicados em 26 de abril no principal jornal de física Revisão Física B .
A eficiência das células solares depende da captura e absorção de luz e pode ser aumentada usando um refletor posterior:um espelho atrás do material da célula solar que reflete a luz que não foi absorvida e a leva de volta para a célula solar. O espelho ideal reflete a luz incidente de qualquer ângulo, conhecido como refletância omnidirecional, e para todas as frequências (ou cores) de luz. Tal refletância omnidirecional para estruturas dielétricas está associada a nanoestruturas de cristal fotônico tridimensional que sustentam o chamado gap fotônico completo. Contudo, os pesquisadores sempre pensaram que tais estruturas teriam uma faixa estreita de freqüência de operação e seu comportamento omnidirecional nunca foi demonstrado até o momento.
Uma equipe interdisciplinar de físicos e matemáticos da Universidade de Twente já realizou cálculos avançados em um material muito promissor desenvolvido no grupo Complex Photonic Systems. "Estudamos os chamados cristais fotônicos inversos de pilha de madeira", diz o estudante de doutorado Devashish. "Esses cristais consistem em uma matriz regularmente ordenada de poros perfurados em duas direções perpendiculares em um wafer de dielétrico como o silício. A estrutura do cristal é inspirada em pedras de diamante."
Os pesquisadores estudaram a refletividade dos cristais inversos da pilha de madeira semelhantes a diamante cúbico por cálculos numéricos e interpretaram experimentos recentes. Eles empregaram o método dos elementos finitos para estudar esses cristais cercados por espaço livre. "Descobrimos que mesmo pilhas invertidas muito finas refletem fortemente muitas cores de luz omnidirecionalmente", Devashish diz. "Em pilhas de madeira inversas, a absorção de luz é insignificante. Isso os torna um ótimo candidato como refletor traseiro em células solares. Também esperamos que esses cristais fotônicos semelhantes a diamante possam levar a lasers no chip, capas de invisibilidade e dispositivos para confinar a luz em volumes extremamente pequenos. "
Figura 2:Os espectros de refletividade calculados para todas as orientações da luz incidente. A luz que não pode entrar nos cristais é refletida, sinalizando que essas cores são completamente proibidas de existir dentro dos cristais, que é a assinatura do gap fotônico. Os pesquisadores observam que a luz para uma ampla gama de cores é sempre refletida para qualquer ângulo de incidência e para ambas as orientações, mesmo para uma placa de cristal fina. A cor azul escura representa a alta refletividade que ocorre na faixa de parada para todos os ângulos. A cor branca representa perto de 0% de refletividade. As linhas tracejadas laranja destacam a ampla faixa de frequência onde a luz é refletida para todos os ângulos de incidência. Crédito:University of Twente
