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Cristales fotónicos cada vez más pequeños para escribir los caminos de la luz

Investigadores del Instituto de Ciencia de Materiales de Aragón y del Centro Universitario de la Defensa trabajan en la miniaturización de cristales fotónicos que podrían ser útiles en campos como la medicina, internet o medio ambiente.

Las delicadas escamas de una mariposa –en esta imagen seleccionada por el certamen Fotciencia– deben su color a su estructura interna
Las delicadas escamas de una mariposa –en esta imagen seleccionada por el certamen Fotciencia– deben su color a su estructura interna
Manuel Gómez y Massimo Lazzari (Centro Singular de Investigación en Química Biológica y Materiales Moleculares CiQUS, Universidad de Santiago de Compostela)

Ningún pigmento colorea una mariposa. Sus alas están formadas por delicadas escamas que esconden un secreto. La estructura microscópica de cada una de ellas actúa como una red de difracción y separa los colores de la luz blanca, como hacen las gotas de lluvia en un arco iris. El resultado son maravillosos colores estructurales, que no requieren de pigmento o colorante alguno. La geometría interna de las escamas está formada por cristales fotónicos creados por la propia naturaleza; son los autores de la iridiscencia que vemos en las alas de las mariposas.

Con maestras como estas, podemos fabricar, en el laboratorio, cristales fotónicos –dispositivos ópticos que permiten dirigir, moldear y controlar los caminos que la luz sigue dentro de ellos– y también tratar de entenderlos. En un estudio que acaba de publicarse en la revista científica ‘Nature Communications’, investigadores del Instituto de Ciencia de Materiales de Aragón (ICMA, CSIC-UZ) y del Centro Universitario de la Defensa (CUD) han conseguido avanzar en la miniaturización de cristales fotónicos y explicar la física que hay detrás. "La clave de tal grado de miniaturización la tiene un tipo de luz que no se esparce en todas las direcciones del espacio, como hace la de una bombilla, sino que se encuentra ultraconfinada en el material. Literalmente, la luz fluye a través del cristal fotónico", explican Sergio Gutiérrez Rodrigo y Luis Martín Moreno, del CUD de Zaragoza y del ICMA, respectivamente.

Además, el estudio presenta un cristal fotónico que opera en un régimen sin precedentes. El cristal fotónico investigado opera en el infrarrojo y consiste en una lámina ultradelgada (38 nanómetros) de un material 2D, perforada por agujeros que forman un patrón periódico. "Es –precisan– el cristal fotónico más pequeño fabricado hasta la fecha en relación a la longitud de onda de la luz para la cual ha sido diseñado".

En los diseños tradicionales, explican, "la anchura del dispositivo y la longitud de onda son comparables. Pero en el estudio propuesto, la relación entre anchura del nanodispositivo y longitud de onda es como la que hay entre el tamaño de un recién nacido y la altura de la basílica del Pilar de Zaragoza". Esto permite que el volumen del nanodispositivo sea 10.000 veces menor que el que tendría un cristal fotónico convencional, si operase en el mismo rango del espectro luminoso.

Este tipo de cristales fotónicos podrían dar lugar a nuevos dispositivos ópticos en el infrarrojo, un régimen de energías clave, por ejemplo, desde el punto de vista de la detección de sustancias peligrosas. El trabajo ha sido realizado en colaboración con investigadores del Donostia International Physics Center, del CIC Nanogune y de la Universidad de Oviedo.

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Las delicadas escamas de una mariposa –en estas imágenes seleccionadas por el certamen Fotciencia– deben su color a su estructura interna. Manuel Gómez y Massimo Lazzari (CiQUS, Universidad de Santiago de Compostela)

La naturaleza fabrica sus propios cristales fotónicos. Por ejemplo, la iridiscencia que observamos en las alas de ciertas mariposas es producida por cristales fotónicos. El cristal fotónico más simple consiste en una multicapa de dos materiales casi transparentes, distribuidos de forma regular. Sorprendentemente, al apilar materiales transparentes formando un cristal fotónico, este se convierte en un espejo para ciertos colores, aquellos que finalmente vemos. Los colores de un cristal fotónico son fruto de la geometría interna del cristal, de ahí que no se degraden con el paso del tiempo, a diferencia de lo que ocurre con los colorantes naturales, cuyo color es fruto de la capacidad que tienen las moléculas que los componen de absorber uno u otro color. La apariencia de un cristal fotónico puede perdurar millones de años, como se ha comprobado en ciertos fósiles de insectos.

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