Para cerrar este tema dedicado a los materiales más recientes vamos a terminar con una clase de materiales que presentan unas propiedades ópticas completamente sorprendentes debido a su estructura física interna y no tanto a su composición química. Los cristales fotónicos son materiales estructurados de forma que su constante dieléctrica (o equivalentemente su índice de refracción) varía periódicamente en el espacio, con unas longitudes características suficientemente pequeñas como para que afecten a la propagación de la luz (u otras radiaciones electromagnéticas) al menos para cierto rango de frecuencias. Por tanto, se trata de materiales nanoestructurados en una, dos o las tres direcciones del espacio cuyo objetivo es afectar al movimiento de los electrones cuando estos se propagan por el material, de una forma similar a lo que les ocurre a los electrones sometidos al potencial periódico de un sólido cristalino, donde se forman bandas de energía que indican los estados permitidos y no permitidos dentro del cristal. Para que esto ocurra, la periodicidad en las variaciones espaciales de la constante dieléctrica a través de la estructura debe ser del orden de la longitud de onda de los fotones que se pretende confinar. Recordemos que la longitud de onda de la luz visible comprende el rango de 300 a 700 nm aproximadamente, por lo que los cristales fotónicos son materiales nanoestructurados.
Existen materiales naturales que poseen estas características, como los ópalos (apartado 4.1), unos mineraloides del grupo de los silicatos constituidos principalmente de sílice de cristalinidad variable y otros minerales como la cristobalita o la tridimita. Estos minerales también están constituidos por sílice, pero presentan estructuras cristalinas diferentes a pesar de tener la misma composición.
Los ópalos se encuentran a menudo en las cavidades o fisuras de muchas rocas y presentan muchos aspectos. Algunas variedades, llamadas ópalos preciosos, se caracterizan por poseer iridiscencia, ya que al ser iluminados con luz blanca su superficie muestra los colores del arco iris, como se muestra en el ejemplo de la figura 10.21. En la década de 1960 se confirmó que este fenómeno se debía a que la estructura microscópica de los ópalos preciosos estaba constituida por apilamientos regulares de diminutas esferas hechas de los minerales antes mencionados, como se muestra también en la figura 10.21. Se acabó demostrando que estas redes ordenadas de esferas de tamaño micrométrico son las responsables directas de producir esa coloración tan llamativa al causar fenómenos de interferencia y difracción de la luz incidente[2], por lo que los ópalos preciosos presentan propiedades fotónicas. No obstante, la mayoría de los cristales fotónicos que se han diseñado hasta ahora se han sintetizado en los laboratorios, ya que resulta muy compleja la modificación a escala microscópica de las sustancias naturales. Por eso, en general, se consideran materiales artificiales.
Las primeras hipótesis teóricas que apuntaban a la posibilidad de construir cristales fotónicos artificiales datan de 1987, cuando dos investigadores propusieron de forma independiente (y por motivos distintos) crear estructuras periódicas artificiales con el fin de manipular el paso de la luz, lo que ahora conocemos como cristales fotónicos[5]. Actualmente, existen varios métodos que permiten fabricar estas nanoestructuras que, como indicábamos, deben cumplir como principal requisito que de algún modo presenten periodicidad en su estructura interna. En la figura 10.21 podemos ver dos ejemplos de cristales fotónicos obtenidos por métodos distintos.
Al principio, lo que se hizo fue usar el conocimiento que se tenía en técnicas de litografía, cuyo uso estaba muy asentado gracias a sus aplicaciones en la industria microelectrónica. Esta técnica y otras eran ya bien conocidas y ofrecen un control muy preciso a la hora de crear nanoestructuras, al menos a escala micrométrica, pero tienen el inconveniente de que resultan muy caras, lentas y difíciles de llevar a una síntesis a gran escala. Como ejemplo, vemos en la figura 10.21 un cristal fotónico hecho de silicio policristalino que consiste en un apilamiento ordenado de barras cuya sección tiene un lado de 1,2 µm (w en la figura) y están separadas una distancia de 4,2 µm (d en la figura). Las barras forman una estructura que deja huecos, por lo que el material presenta una combinación periódica de aire (con índice de refracción 1) y de silicio (cuyo índice de refracción es 3,6).
Como alternativa a las técnicas de microelectrónica se han propuesto otros métodos que resultan más económicos y que pueden dar lugar a una mayor producción. En la parte derecha de la figura 10.21 se muestra el primer ejemplo de un material con estructura de “ópalo inverso” que se sintetizó a partir del ordenamiento inicial de esferas de sílice del mismo tamaño a las que posteriormente se les crecían cristales de silicio en los huecos mediante deposición química de vapor. En un último paso se eliminaba el soporte de sílice y se obtenía el apilamiento ordenado de esferas de silicio de tan solo 1 µm de diámetro y formando un apilamiento cúbico compacto, como se aprecia en las micrografías de la figura 10.21.
Pese a todos los avances recientes, los cristales fotónicos tienen aún que superar algunos desafíos importantes para poder llegar a ser una parte activa de la tecnología de uso cotidiano. Ahora mismo las limitaciones están relacionadas principalmente con los métodos de producción, ya que sería necesario refinar la precisión en las nanoestructuras. Por un lado, habría que ser capaz de eliminar todo tipo de defectos, imperfecciones o irregularidades locales, ya que su aparición perjudica seriamente a sus propiedades. Y por otro lado hay que disminuir aún más las dimensiones de las nanoestructuras. Los ejemplos que hemos visto son a escala micrométrica, lo que permite manipular las propiedades ópticas para radiaciones electromagnéticas en el rango del infrarrojo o de las microondas, pero sería interesante alcanzar la escala nanométrica con suficiente soltura como para trabajar con la luz visible. Por último, es necesario desarrollar métodos de producción a gran escala y que sean económicamente viables.
En cualquier caso, la fotónica es actualmente un campo muy activo en la investigación científica, y no solo eso, sino que se ha expandido en otras direcciones dando lugar a una disciplina más general en la que se estudian las propiedades ópticas de materiales nanoestructurados llamados metamateriales que tienen propiedades asombrosas. De este modo, los cristales fotónicos serían solo un ejemplo perteneciente a este grupo más general. No existe una definición universal aceptada para estos metamateriales, pero se caracterizan por ser artificiales y presentar propiedades electromagnéticas inusuales que proceden de la estructura diseñada y no de su composición, como hemos visto para los cristales fotónicos. Estos metamateriales pueden presentar características tan inusuales como poseer un índice de refracción negativo (al menos para cierto rango de frecuencias), entre otras fascinantes propiedades[6].
[1] E. Martin y E. Gaillou. Am. Mineral. 103 (2018) 803-811. https://doi.org/10.2138/am-2018-6131.
[2] J. V. Sanders. Nature 204 (1964) 1151-1153. https://doi.org/10.1038/2041151a0.
[3] S. Y. Lin et al. Nature 394 (1998) 251-253. https://doi.org/10.1038/28343.
[4] A. Blanco et al. Nature 405 (2000) 437-440. https://doi.org/10.1038/35013024.
[5] E. Yablonovitch. Phys. Rev. Lett. 58 (1987) 2059. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.58.2059; S. John. Phys. Rev. Lett. 58 (1987) 2486. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.58.2486.
[6] Para más información puede consultarse la siguiente monografía de carácter introductorio: W. Cai y V. Shalaev. Optical Metamaterials. Springer (2010).
Este texto pertenece al libro:
Carlos Romero Muñiz, José M.ª Gavira Vallejo: Noventa materiales de ingeniería para la enseñanza de Física y Química. Triplenlace.com, 2025. https://triplenlace.com/aula-libros/90mi/.
