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Investigadores desarrollan un nuevo método para analizar la estructura de un cristal fotónico

Una nueva técnica desarrollada por investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT, por sus siglas en inglés), en Cambridge, Massachusetts, Estados Unidos, revela los detalles internos de los cristales fotónicos, materiales sintéticos cuyas exóticas propiedades ópticas son objeto de amplia investigación.
Los cristales fotónicos se fabrican generalmente perforando millones de agujeros minúsculos estrechamente separados en una losa de material transparente, usando variaciones de métodos de fabricación de microchips. Dependiendo de la orientación exacta, el tamaño y la separación de estos agujeros, estos materiales pueden exhibir diversas propiedades ópticas peculiares, como de "superlente", que permite magnificar esos pulsos de luz más allá de los límites teóricos normales, y "refracción negativa", en la cual la luz se dobla en una dirección opuesta a su trayectoria a través de materiales transparentes normales.
Pero para entender exactamente cómo se mueve la luz de varios colores y en varias direcciones a través de los cristales fotónicos se requieren cálculos extremadamente complejos. Los investigadores a menudo usan enfoques muy simplificados; como por ejemplo, calcular solamente el comportamiento de la luz a lo largo de una sola dirección o para un solo color.
En su lugar, la nueva técnica hace que toda la gama de información sea visible directamente. Los investigadores pueden usar una sencilla configuración de laboratorio para mostrar la información --un patrón de los llamados "contornos de isofrecuencia"-- en una forma gráfica que puede simplemente fotografiarse y examinarse, eliminando en muchos casos la necesidad de cálculos.
El método se describe esta semana en la revista 'Science Advances', en un documento del postdoctor del MIT Bo Zhen, recientemente graduado del Colegio Wellesley, y la miembro del MIT Emma Regan, los profesores de física del MIT Marin Soljacic y John Joannopoulos, y otros cuatro expertos.
PATRONES DE DISPERSIÓN DE LA LUZ POR DEFECTOS MINÚSCULOS EN LOS ORIFICIOS
El descubrimiento de esta nueva técnica, relata Zhen, se produjo observando de cerca un fenómeno que los científicos habían analizado e, incluso, utilizado durante años, pero cuyos orígenes no se habían comprendido. Los patrones de la luz dispersa parecían desprenderse de muestras de materiales fotónicos cuando se iluminaban con luz láser. La dispersión fue sorprendente, ya que se fabricó la estructura cristalina subyacente para que fuera casi perfecta en estos materiales.
Después de un cuidadoso análisis, los científicos se dieron cuenta de que los patrones de dispersión eran obra de minúsculos defectos en los orificios de cristal que no eran perfectamente redondos o que estaban ligeramente estrechados ??de un extremo a otro. "Hay problemas de fabricación incluso en las mejores muestras que se pueden hacer --dice Regan--. Pensamos que la dispersión sería muy débil porque la muestra es casi perfecta", pero resulta que en ciertos ángulos y frecuencias, la luz se dispersa muy fuertemente; hasta el 50 por ciento de la luz.
Al iluminar la muestra a su vez con una secuencia de colores diferentes, es posible construir una visualización completa de los caminos que toman los haces de luz a través del espectro visible. La luz dispersa produce una visión directa de los contornos de isofrecuencia, una especie de mapa topográfico de la forma en la que los rayos de luz de diferentes colores se doblan a medida que pasan a través del cristal fotónico.
"Ésta es una forma muy hermosa y muy directa de observar los contornos isofrecuenciales --subraya Soljacic--. Simplemente la luz brilla en la muestra, con la dirección correcta y la frecuencia, y lo que sale es una imagen directa de la información necesaria".
El hallazgo podría ser útil para una serie de aplicaciones diferentes, según el equipo. Por ejemplo, podría llevar a una forma de hacer pantallas grandes y transparentes, donde la mayoría de la luz pasaría directamente a través de una ventana, pero la luz de las frecuencias específicas se dispersaría para producir una imagen clara en la pantalla. O se podría utilizar el método para hacer exhibiciones privadas que serían solamente visibles para la persona directamente delante de la pantalla.
Debido a que se basa en imperfecciones en la fabricación del cristal, este método también podría usarse como una medida de control de calidad en la fabricación de estos materiales. Las imágenes proporcionan una indicación no sólo de la cantidad total de imperfecciones, sino también de su naturaleza específica, es decir, si el trastorno dominante en la muestra proviene de agujeros no circulares o perforaciones que no son rectas, de modo que el proceso puede afinarse y mejorarse.