Prevê-se que os cristais fotônicos sejam uma das maravilhas do século XXI. No século 20, Uma nova compreensão da estrutura da banda eletrônica - a física que determina quando um sólido conduz ou isola - revolucionou o mundo. Essa mesma física, quando aplicado a cristais fotônicos, nos permite controlar a luz de maneira semelhante a como controlamos os elétrons. Se os cristais fotônicos cumprirem sua promessa, transistores totalmente óticos que consomem pouca energia e permitem computadores ainda mais potentes podem se tornar uma realidade.

Mas, esse destino ainda não está à vista. O problema é de controle. Temos controle requintado sobre a fabricação de circuitos integrados eletrônicos, e semicondutores e elétrons são muito flexíveis - se você quiser mudar a energia de um elétron, basta aplicar uma tensão.

Controlar a fabricação de cristais fotônicos é mais difícil. Cada estrutura minúscula deve ser fabricada, replicada e posicionada com precisão. Uma vez feito, um cristal fotônico é imutável, o que o torna muito inflexível. Da mesma forma, as energias dos fótons não podem ser alteradas com a mesma eficiência que as energias dos elétrons. O resultado é, se os cristais fotônicos são o futuro da computação, teremos que aprender como fazê-los de uma forma que permita que sejam modificados em tempo real.

Filmes de fluido ondulado como metassuperfícies

Em um novo Fotônica Avançada papel, Shimon Rubin e Yeshaiahu Fainman, da Universidade da Califórnia em San Diego, mostraram como pode ser possível criar um cristal fotônico flexível, mas durável, a partir de um líquido. Eles realizaram uma série de cálculos para prever a formação e o desempenho de um cristal fotônico com base no aquecimento muito localizado em filmes finos líquidos.

Os líquidos geralmente não são considerados uma ótima escolha para um cristal fotônico porque os líquidos não têm uma estrutura fixa. As propriedades ópticas de um cristal fotônico dependem de a luz ser capaz de refletir milhões de estruturas precisamente colocadas. Mas os líquidos vazam e fluem, assim, as estruturas são rapidamente destruídas.

Contudo, Rubin e Fainman observaram que na interface entre um filme líquido fino e um sólido ou gás, a interação entre a tensão superficial do líquido e a temperatura local pode criar uma pequena estrutura (por exemplo, o líquido se acumula para criar uma pequena colina). Contudo, não se sabia se as estruturas eram significativas o suficiente para funcionar como metassuperfície (um tipo de cristal fotônico) e modificar a propagação da luz.

Os pesquisadores investigaram vários arranjos de filmes líquidos que permitem prontamente a luz ser guiada (pelo menos parcialmente) dentro do líquido. Para obter uma estrutura, os pesquisadores consideraram como a absorção de luz pode aquecer o líquido. Ao usar ondas de luz que se cruzam em ângulos diferentes dentro do filme, um padrão de manchas claras e escuras é criado - esse padrão é chamado de padrão de onda estacionária. O líquido absorve energia apenas das manchas brilhantes, portanto, o líquido só vai aquecer em locais muito específicos.

Fluidos flexíveis

Os pesquisadores usaram as propriedades ópticas e térmicas do líquido, combinado com equações dinâmicas de fluido e propagação de luz para calcular o calor absorvido pelo fluido, e como isso faria com que se deformasse localmente. Os pesquisadores mostraram que arranjos periódicos de colinas e vales no filme líquido podiam ser obtidos cruzando-se entre duas e quatro ondas de luz. Duas ondas de luz criam linhas de colinas e vales, três ondas de luz criam arranjos hexagonais de colinas e vales, enquanto quatro feixes de luz criam um arranjo de tabuleiro de xadrez. As propriedades ópticas foram então calculadas a partir desses arranjos espaciais.

Para demonstrar a utilidade de sua meta-superfície proposta, os pesquisadores calcularam o limiar de um laser. Se um meio de ganho, como um corante, for adicionado ao fluido, a deformação periódica do líquido, conforme descrito acima, pode levar à formação de ressonadores, capaz de suportar modos de laser. A modificação da simetria do cristal líquido fotônico permite o controle da frequência e da direção de emissão do modo de laser.

Os cristais fotônicos líquidos parecem ter algumas propriedades muito boas. Como a luz é usada para criar o padrão em líquido, o padrão se forma naturalmente e sem erros. E, o padrão pode ser alterado em tempo real, alterando o ângulo entre as ondas de luz, ou comprimento de onda da luz usada para criar o padrão. Até mesmo padrões móveis podem ser criados modulando uma das ondas de luz. Essa flexibilidade inerente deve permitir muitos aplicativos interessantes em, por exemplo, computação e cuidados de saúde. Contudo, o sucesso desta abordagem dependerá de uma demonstração física do conceito básico.