Si prevede che i cristalli fotonici saranno una delle meraviglie del 21° secolo. Nel XX secolo, una nuova comprensione della struttura elettronica della banda, la fisica che determina quando un solido conduce o isola, rivoluzionò il mondo. Quella stessa fisica, quando applicato a cristalli fotonici, ci permette di controllare la luce in modo simile a come controlliamo gli elettroni. Se i cristalli fotonici mantengono la loro promessa, transistor completamente ottici che consumano poca energia e consentono computer ancora più potenti potrebbero diventare una realtà.

Ma, quella destinazione non è ancora in vista. Il problema è di controllo. Abbiamo un controllo squisito sulla fabbricazione di circuiti integrati elettronici, e i semiconduttori e gli elettroni sono molto flessibili:se vuoi cambiare l'energia di un elettrone, basta applicare una tensione.

Il controllo della fabbricazione dei cristalli fotonici è più difficile. Ogni minuscola struttura deve essere prodotta, replicata e posizionata con precisione. Una volta fatto, un cristallo fotonico è immutabile, che lo rende molto inflessibile. Allo stesso modo, le energie dei fotoni non possono essere modificate con la stessa efficienza delle energie degli elettroni. Il risultato è, se i cristalli fotonici sono il futuro dell'informatica, dovremo imparare a realizzarli in modo che possano essere modificati al volo.

Film fluidi increspati come metasuperfici

In un nuovo Fotonica avanzata carta, Shimon Rubin e Yeshaiahu Fainman della University of California San Diego hanno mostrato come potrebbe essere possibile creare un cristallo fotonico flessibile ma durevole da un liquido. Hanno eseguito una serie di calcoli per prevedere la formazione e le prestazioni di un cristallo fotonico basato su un riscaldamento molto localizzato in film sottili liquidi.

I liquidi non sono generalmente considerati un'ottima scelta per un cristallo fotonico perché i liquidi non hanno una struttura fissa. Le proprietà ottiche di un cristallo fotonico dipendono dalla capacità della luce di riflettere milioni di strutture posizionate con precisione. Ma i liquidi fluiscono e rifluiscono, quindi le strutture vengono rapidamente lavate via.

Però, Rubin e Fainman hanno notato che all'interfaccia tra un sottile film liquido e un solido o gas, l'interazione tra la tensione superficiale del liquido e la temperatura locale può creare una piccola struttura (ad es. il liquido si accumula per creare una piccola collina). Però, non si sapeva se le strutture fossero abbastanza significative da funzionare come metasuperficie (un tipo di cristallo fotonico) e modificare la propagazione della luce.

I ricercatori hanno studiato diverse disposizioni di pellicole liquide che consentono facilmente alla luce di essere guidata (almeno parzialmente) all'interno del liquido. Per ottenere una struttura, i ricercatori hanno considerato come l'assorbimento della luce potrebbe riscaldare il liquido. Utilizzando onde luminose che si incrociano a diverse angolazioni all'interno del film, viene creato un motivo di macchie chiare e scure, questo motivo è chiamato motivo a onde stazionarie. Il liquido assorbe energia solo dalle macchie luminose, quindi, il liquido si riscalderà solo in punti molto specifici.

Fluidi flessibili

I ricercatori hanno utilizzato le proprietà ottiche e termiche del liquido, combinato con equazioni fluidodinamiche e propagazione della luce per calcolare il calore assorbito dal fluido, e come ciò lo farebbe deformare localmente. I ricercatori hanno dimostrato che la disposizione periodica di colline e valli nel film liquido potrebbe essere ottenuta incrociando tra due e quattro onde luminose. Due onde luminose creano linee di colline e valli, tre onde luminose creano disposizioni esagonali di colline e valli, mentre quattro fasci di luce creano una disposizione a scacchiera. Le proprietà ottiche sono state quindi calcolate da queste disposizioni spaziali.

Per dimostrare l'utilità della loro metasuperficie proposta, i ricercatori hanno calcolato la soglia di un laser. Se al fluido viene aggiunto un mezzo di guadagno come un colorante, la deformazione periodica del liquido come sopra descritto può portare alla formazione di risonatori, in grado di supportare modalità laser. La modifica della simmetria del cristallo liquido fotonico consente quindi il controllo della frequenza e della direzione di emissione della modalità laser.

I cristalli fotonici liquidi sembrano avere alcune proprietà molto piacevoli. Poiché la luce viene utilizzata per creare il motivo in un liquido, il modello si forma in modo naturale e senza errori. E, il modello può essere cambiato al volo cambiando l'angolo tra le onde luminose, o lunghezza d'onda della luce utilizzata per creare il motivo. Anche i modelli in movimento possono essere creati modulando una delle onde luminose. Questa flessibilità intrinseca dovrebbe consentire molte applicazioni interessanti in, ad esempio, calcolo e assistenza sanitaria. Però, il successo di questo approccio dipenderà da una dimostrazione fisica del concetto di base.