Fabrican el espejo perfecto utilizando un cristal fotónico

Dibujo20130710 perfect mirror with photonic crystal

Se publica en Nature la fabricación del primer espejo perfecto gracias a un cristal fotónico de nitruro de silicio sobre un sustrato de dióxido de silicio, un espejo que refleja toda la luz incidente, sin absorber nada de luz; la luz debe incidir con un ángulo concreto desde un líquido con el mismo índice de refracción que el dióxido de silicio (como muestra la figura). Un cristal fotónico es un material microestructurado que presenta una serie de pequeños agujeros con un tamaño menor que la longitud de onda de la luz incidente. El cristal fotónico actúa como un sólido y presenta una serie de bandas prohibidas para la luz (como un sólido las presenta para los electrones). Los cristales fotónicos permiten nuevos modos de guiado de la luz, permitiendo que la luz se curve en una esquina sin pérdidas y otros fenómenos similares. ¿Por qué funciona el cristal fotónico como espejo perfecto? Según los autores aparece un fenómeno similar a la interferencia destructiva que se observa en algunos sistemas cuánticos; el acoplo entre los modos evanescentes a ambos lados del cristal fotónico presenta una resonancia que hace que se desvanezcan. En física cuántica a este fenómeno se le llamada degeneración accidental y fue propuesto en 1929 por John von Neumann y Eugene Wigner; la ecuación de Schrödinger permite que en un pozo de potencial haya estados de electrones atrapados con la misma energía que un electrón libre (infinitamente alejado del potencial). ¿Para qué puede servir? Quizás para atrapar luz dentro de una cavidad óptica con espejos perfectos a ambos lados. Nos lo cuenta A. Douglas Stone, “Optical physics: Trapping the light fantastic,” Nature 499: 159–160, 11 Jul 2013, quien se hace eco del artículo técnico de Chia Wei Hsu et al., “Observation of trapped light within the radiation continuum,” Nature 499: 188–191, 11 Jul 2013. Por cierto, uno de los autores, John D. Joannopoulos (MIT) es firme candidato al Premio Nobel de Física por los cristales fotónicos desde hace más de una década.

Dibujo20130710 Fabricated PhC slab and the measurement setup

El cristal fotónico de nitruro de silicio Si3N4 tiene un espesor de 180  nm (nanómetros) con una matriz cuadrada de orificios cilíndricos con una periodicidad de 336  nm y un diámetro de agujero de 160 nm. El índice de refracción del nitruro de silicio es n = 2,02, siendo el índice de refracción de la capa de sílice n = 1,46 (el mismo que el del líquido en el que se ha sumergido el cristal fotónico).

Dibujo20130710 Predictions of the theory

Las simulaciones numéricas por ordenador muestran la presencia de un ángulo para el que se obtiene un espejo perfecto (factor de calidad Q = ∞ en esta figura). En estas simulaciones se calculan los modos ópticos resolviendo un problema de valores propios obtenido aplicando la técnica FDTD (diferencias finitas en el dominio del tiempo) a las ecuaciones de Maxwell.

Dibujo20130710 Quantitative evidence on the disappearance of leakage

Los resultados experimentales medidos en laboratorio (cruces rojas y azules) muestran un buen acuerdo con las predicciones numéricas (línea continua). En los experimentos para un ángulo de 35º se obtiene un valor de Q mayor de 1.000.000 (no se obtiene el valor teórico de infinito por problemas en la resolución y relación señal-ruido del instrumento de medida).

La óptica ondulatoria y la mecánica cuántica ondulatoria comparten muchos fenómenos  porque se puede construir una analogía física entre sus respectivas ecuaciones de onda. Gracias a esta analogía se pueden experimentar mediante óptica muchos de los fenómenos que se predicen en la teoría cuántica. De hecho, muchos físicos teóricos cuánticos están trabajando en la actualidad en óptica (yo conozco a varios). Los cristales fotónicos y su parecido con los sólidos cristalinos son un campo muy fértil para este tipo de analogías.

4 pensamientos en “Fabrican el espejo perfecto utilizando un cristal fotónico

  1. Solo puedo imaginar como la ciencia en este siglo ya no podrá superarse. La tecnología es la sustituta a la espera de nuevos genios. Solo nos queda la imaginación. :-)

  2. Supongo que la escala de la geometria de los agujeros de ese espejo será optima solo para una longitud de onda concreta, la que entra en resonancia; verdad? Y cuan efectivo es el dispositivo para un ancho de banda, digamos todo el espectro visible??

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