Los cristales fotónicos son materiales con una estructura periódica que controla la propagación de la luz. Se describen sus orígenes en 1987 y aplicaciones como guias de onda ópticas, fuentes láser miniaturizadas y detección química. Los cristales fotónicos se encuentran en la naturaleza, por ejemplo, en las alas de mariposas y las espinas del erizo de mar, inspirando nuevas tecnologías.

1. Cristales Fotónicos
Maestría en Ciencias de los Materiales
Mauricio López

2. Contenido
• Historia
• Definición
• Fenómeno físico
• Aplicaciones
• Desarrollos

3. Historia
• La fotónica hace referencia a los primeros materiales en la electrónica
capaces de emitir luz.
• El termino fotónica es usado ampliamente en las telecomunicaciones
como fibra óptica.
• La fotónica abarca fabricación de laser, química de detección, diagnostico
medico, tecnologías de visualización y computación óptica.
• Las primeras investigaciones importantes en el campo de los cristales
fotónicos fueron desarrolladas simultáneamente y de forma independiente
en 1987 por los científicos Eli Yablonovitch y Sajeev John, quienes
propusieron inhibir la propagación de luz dentro un material,
especialmente fabricado con ese fin, a través del diseño de su estructura
dieléctrica interna.

4. • Incluso mucho antes, en 1887, Lord Rayleigh ya había estudiado la
propiedad de que una onda podía ser totalmente refractada por la red del
material, el cual estaba atravesando, siempre que este presenta
características internas de tipo periódico.
• Posteriormente a las publicaciones realizadas por E.Yablonovitch y S.John
en 1987, el desarrollo de los cristales fotónicos tuvo un
• despegue muy importante, primero en el marco teórico, en el cual,
numerosos científicos de todo el mundo intentaron resolver los sistemas
resultantes de la propagación de ondas lumínicas en materiales con una
constante dieléctrica de tipo periódica, y luego, también en el campo de la
experimentación, donde se comenzaron a desarrollar los primeros cristales
fotónicos “a medida” con el objetivo de lograr estructuras dieléctricas de
tipo periódico con características propias para rechazar ondas de luz con
longitudes de onda especificas.
Eli Yablonovitch es un físico e ingeniero estadounidense que,
junto con Sajeev John, fundó el campo de los cristales fotónicos
en 1987.

5. Que es un cristal fotónicos?
• Los cristales fotónicos son materiales ópticos estructurados que
repiten cierto patrón en una escala nanométrica, por debajo de la
longitud de onda de luz y cuyo índice de refracción (efectivo) varía de
forma periódica en el espacio y/o el tiempo.
• Diferentes a los pigmentos que absorben o reflejan ciertas
frecuencias de luz como resultado de su composición química, la
forma en que los cristales fotónicos reflejan la luz es una función de
su estructura física.
• Un material que contiene un arreglo periódico de agujeros o baches
de cierto tamaño puede reflejar luz azul, por ejemplo, y absorber
otros colores aun cuando el cristal en sí mismo es incoloro.

6. • Las mariposas han sido fuente de interesantes
descubrimientos, debido a sus muchos colores y
alas variadas estructuras que componen sus alas.
• Diversos montajes de sistemas ópticos, microscopios convencionales, microscopios
electrónicos de barrido y de transmisión, y modelos computacionales, permiten conocer
los secretos de las mariposas, esos ingenieros fotónicos naturales.
• Un azul generado por un fenómeno de capa
delgada más un rojo pigmentario.
Dependiendo del ángulo con el que se
ilumine el ala, se verá el azul o no. Llamamos
a este fenómeno iridiscencia.
• La misma nanoestructura de multicapas de la mariposa de puntas violeta se
encuentra en las mariposas Morpho, que ha inspirado notorios desarrollos
tecnológicos. El área que investiga dichas aplicaciones se llama Biomimética.

7. Las espinas del ratón de mar logran reorientar
casi el 100 por ciento de la luz
• Cada espina es esencialmente un tubo hueco, y la pared de ese tubo contiene 88
cilindros de quitina perfectamente hexagonales.
• Actuando juntos, estos cilindros forman lo que se conoce como un "espectro
completo de cristal fotónico", el primero documentado en un organismo vivo. Los
cristales fotónicos son nanoestructuras que afectan al movimiento de la luz que
las atraviesa, y las espinas cristalinas del ratón de mar son las más eficientes de la
naturaleza.
• De hecho, el cuerpo del ratón de mar hace la hazaña tan
bien que le hemos utilizado como modelo para algunas
fibras ópticas de comunicación.

8. Los cristales fotónicos y el cambio de color de
los camaleones.
Los cromatóforos son las células con pigmentos que se encuentran en muchos seres vivos. Los
iridóforos son los comatóforos cuyos pigmentos son iridiscentes. La iridiscencia es el fenómeno
óptico asociado al cambio del tono o color de la luz reflejada en función del ángulo con el que se
mira.

9. Los conos en la retina de los peces elefante
forman un cristal fotónico que les permite ver
colores a través de aguas turbias.

10. Explicación física
Todo cristal que presente una periodicidad en su estructura atómica, posee la
característica de que los electrones inmersos en su red interna experimentan la
propiedad de ver restringida su energía a un rango de valores específicos. Esta
restricción se debe a la existencia de bandas de energía prohibida, para la cual el
cristal rechaza la propagación de los electrones a través del mismo
Análogamente, un material que presenta una periodicidad en su constante
dieléctrica posee la propiedad de rechazar la propagación a través del mismo de
fotones.

11. Estructuras de bandas 1-D
Generalmente las estructuras de banda electrónicas se encuentran al resolver la
ecuación de autovalores y autovectores de la ecuación de Schrödinger.
En un cristal fotónico, dichas estructuras deben encontrarse resolviendo las
ecuaciones de Maxwell y arribando a la solución vectorial del campo
electromagnético. Partiendo del suspuesto de que la constante dieléctrica del
material es periódica.
Se utilizó una teoría de campo escalar pero solo funcionaba con los electrones
mas no para fotones, por lo tanto para los cristales fotónicos debe hacerse
incorporando teoría de campo vectorial.

12. Procesos de fabricación
Dimensiones- espaciamiento entre las celdas unitarias-definen la
periodicidad de las características físicas del material.
• Se puede calcular la distancia entre las estructuras básicas como:
longitud de onda
coeficiente dieléctrico del material
Ejemplo, que en el caso de querer lograr que la banda de energía prohibida
se encuentre dentro del espectro de las microondas.
ʎ= 1,5 cm y ϵ= 3,6
Con lo cual, para lograr formar un material con dichas
características se necesitan generar espaciamientos de aire
con una distancia de 4 mmYablonovite

13. • La fabricación de los materiales puede realizarse utilizando métodos de microfabricación,
como los utilizados en la fabricación de dispositivos semiconductores, con los costos de
producción e inversión correspondientes, por lo cual actualmente, éste es un área de
investigación muy importante dentro del ámbito de los cristales fotónicos, ya que el
abaratamiento de los costos de producción es de vital importancia para el desarrollo futuro
de dispositivos con una transmisión de información totalmente óptica.
• En 1994, Ekmel Ozbay, de los Laboratorios Ames (EE.UU.) diseño y contruyo un cristal
fotonico con una banda de energias prohibidas dentro del rango de las microondas, a partir
de obleas de silicio, apilando unas arriba de otras de forma complementaria.
John Holtz y Sanford Asher, de la Universidad de Pittsburgh, también
desarrollaron su propio método de fabricación de cristales fotónicos,
utilizando una estructura cristalina de esferas poliméricas, inmersas en un
hidrogel, que posee la capacidad de absorber agua. En este caso, el
espectro en el cual se encuentra la banda de energía prohibida puede
regularse simplemente encogiendo o extendiendo el hidrogel.

14. Aplicaciones
Diodos emisores de luz, emiten en varias direcciones para enfocar es
utilizado un dispositivo reflector.
Los cristales fotónicos pueden ser la nueva matéria prima para fabricar
circuitos fotónicos: esto incluye tanto canales de conducción (guías
ópticas), componentes lógicos (amplificadores, transistores fotónicos etc.),
como fuentes laser de tamaño submicrometrico.
Visión artificial
Biomedicina: Detectores químicos y Biosensores
Espejos de alta reflectividad en láseres

15. La fibra óptica
• video

17. Meta materiales fotónicos
• Las primeras demostraciones experimentales de los metamateriales
fueron realizadas en el rango de las microondas (frecuencia ~ 10 GHz,
meta-átomos de tamaño alrededor de 1 cm).

18. OCULTAMIENTO (“CLOAKING”)

20. Bibliografía
• Artículo es Jérémie Teyssier et al., “Photonic crystals cause active
colour change in chameleons,” Nature Communications 6: 6368, 10
Mar 2015, doi: 10.1038/ncomms7368.
• Artículo técnico es Moritz Kreysing et al., “Photonic Crystal Light
Collectors in Fish Retina Improve Vision in Turbid Water,” Science 336:
1700-1703, 29 June 2012.
• Articulo Y M. Porras, Agni P. O., D. J. R. Patarroyo “Cristales fotónicos
empleados en tratamientos médicos”,Fecha de aceptación del
artículo: 01/12/2015.