O que é um cristal fotônico?

Os cristais fotônicos, também conhecidos como materiais com intervalos de bandas fotônicos, são nanoestruturas periódicas que podem direcionar seletivamente comprimentos de onda da luz da mesma maneira que os semicondutores em um chip de computador deixam passar determinadas bandas de energia eletrônicas. O termo "bandgap" refere-se apenas a lacunas na banda espectral de luz que brilha. Um arco-íris, por exemplo, carece de intervalos de banda, porque a água é transparente e não absorve nenhuma frequência específica. Um arco-íris passando por um cristal fotônico teria lacunas seletivas, dependendo da nanoestrutura específica dentro do cristal.

Existem alguns materiais naturais que se aproximam da estrutura de um cristal fotônico. Um deles é a opala de pedras preciosas. Sua iridescência arco-íris é causada por nanoestruturas periódicas no interior. A periodicidade da nanoestrutura determina quais comprimentos de onda da luz são permitidos e quais não são. O período da estrutura deve ser metade do comprimento de onda da luz que é permitida. Os comprimentos de onda permitidos na passagem são conhecidos como "modos", enquanto os comprimentos de onda proibidos são os intervalos da banda fotônica. Uma opala não é um verdadeiro cristal fotônico porque não possui uma lacuna de banda completa, mas se aproxima bastante de uma para os fins deste artigo.

Outro material natural que inclui um cristal fotônico são as asas de algumas borboletas, como o gênero Morpho. Estes dão origem a belas asas iridescentes azuis.

Os cristais fotônicos foram estudados pela primeira vez pelo famoso cientista britânico Lord Raleigh em 1887. Um cristal fotônico sintético unidimensional chamado espelho de Bragg foi objeto de seus estudos. Embora o próprio espelho de Bragg seja uma superfície bidimensional, ele produz apenas o efeito de intervalo de banda em uma dimensão. Estes têm sido utilizados para produzir revestimentos reflexivos em que a banda de reflexão corresponde ao espaço da banda fotônica.

Cem anos depois, em 1987, Eli Yablonovitch e Sajeev John sugeriram a possibilidade de cristais fotônicos bidimensionais ou tridimensionais, que produziriam intervalos de banda em várias direções diferentes ao mesmo tempo. Foi rapidamente percebido que esses materiais teriam inúmeras aplicações em óptica e eletrônica, como LEDs, fibra óptica, lasers nanoscópicos, pigmento ultra-branco, antenas de rádio e refletores e até computadores ópticos. A pesquisa em cristais fotônicos está em andamento.

Um dos maiores desafios na pesquisa de cristais fotônicos é o tamanho e a precisão mínimos necessários para produzir o efeito de gap de banda. A síntese de cristais com nanoestruturas de período é bastante difícil com as tecnologias atuais de fabricação, como a fotolitografia. Os cristais fotônicos em 3D foram projetados, mas fabricados apenas em uma escala extremamente limitada. Talvez com o advento da fabricação de baixo para cima, ou nanotecnologia molecular, a produção em massa desses cristais se torne possível.

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