WIXLIB

Valenzuela Sau J. D. ¿Qué es la fotónica?Elementos 128 (2022) 45-49w w w.elementos.buap.m x¿Qué es la fotónica?Jesús Daniel Valenzuela SauLa luz desempeña un papel crucial en la vida como laconocemos. Sin ella, simplemente no podríamos existir.Y como seres curiosos que somos nos preguntamos:¿qué es la luz? Por mucho tiempo no fue una preguntasencilla de responder pues su comportamiento puedeser desconcertante. ¿Está compuesta por ondas o porpartículas?, ¿onda o partícula?, una cuestión que desató fuertes desacuerdos entre la comunidad científica altratar de describir la naturaleza de la luz a mediados delsiglo XVII.Newton (1642-1727), considerado por muchos como elcientífico más importante de la historia, proponía que laluz estaba formada por “corpúsculos”, pequeñas partículas invisibles al ojo humano, mientras que la mayoría desus contrapartes, entre ellos Hooke (1635 -1703), tambiénmuy notable, estaba a favor de considerar a la luz comoun fenómeno “ondulatorio”.Hoy en día, gracias a los trabajos en el campo de lamecánica cuántica, es en general aceptado que la luztiene una naturaleza dual: se comporta como onda y también como partícula. Una partícula puede ser entendidacomo un objeto material con cierto volumen y cierta masa.Esto es intuitivo y fácil de visualizar. Pero ¿qué es unaonda? En palabras simples, se puede decir que una ondaes una perturbación que se propaga en un medio (comodato interesante, contrario a una partícula, a una ondano se le puede relacionar con un volumen ni con unamasa). Este medio de propagación puede ser el vacío;Elementos 128, 2022, pp. 45- 4945

Figura 1. Muestra de la fauna en Guaymas, Sonora, México. Fotografíapor Yolanda Daniela Rivas Hernández. Instagram @yodakairiher.Figura 2. Muestra de la fauna en Suaqui Grande, Sonora, México.Fotografía por Sinue Valenzuela Sau.como en el espacio exterior fuera de la atmósferade la luz. Esta capacidad de predicción ha dadodel planeta, o puede ser un medio material comolugar al diseño de dispositivos que trabajan conla tierra, el agua o el aire.luz que podrían sustituir o mejorar los compo-Por ejemplo, la voz humana son ondas de pre-nentes electrónicos, creando así un nuevo para-sión que se propagan a través del aire y que al lle-digma para la fabricación de teléfonos celulares,gar a nuestros oídos interpretamos como sonidoscomputadoras, televisores, etcétera. La rama deque nos ayudan a comunicarnos. Por otro lado, enla física que estudia el control de la luz se conoceel vacío, las ondas electromagnéticas, que común-como fotónica.mente llamamos luz, se propagan libremente.Así es como la luz del Sol nos alcanza viajandoa casi 300,000 kilómetros por segundo y tardandoA continuación, se presenta una pequeña reseña de cómo surgió este “control” de la luz y porqué es posible.poco más de 8 minutos en llegar. Una vez que laluz incide en la superficie terrestre, sus efectosUna idea revolucionariason palpables y evidentes en nuestra vida diaria;pero, ¿se puede obtener un mayor beneficio deCuando encendemos una lámpara eléctrica –seaella además de proveernos de alimentos median-de tipo incandescente, fluorescente o led–, aunquete su papel en la fotosíntesis y de brindarnos lossu principio físico de funcionamiento es diferente,medios para poder ver por dónde caminamos?su luminosidad se debe a la emisión de fotones¡Vaya que sí! Y no me refiero a los paneles solaresprovocada por un gran número de electrones queni al aprovechamiento térmico de la luz solar paraestá fluyendo a través de ella.generar electricidad, sino a un uso de la luz muchoEstos electrones son provistos por la red demás sutil. Tan sutil, que los seres vivos mostradossuministro eléctrico a través de cables conductoresen las figuras 1 y 2 podrían tener la clave.metálicos de cobre o aluminio que están recubier-A lo largo del siglo XIX se descubrieron las leyestos por un material aislante. Los electrones puedenque rigen el electromagnetismo, incluida la luz,moverse libremente por el elemento conductor,claro está. Estas se conocen como las leyes depero no pueden hacerlo por el aislante. GraciasMaxwell. A partir de ellas, se obtiene una ecuacióna esto último, el suministro eléctrico es posible,que puede describir o predecir el comportamientoeficiente y seguro.46Pues bien, así como los electrones fluyen libreJesús Daniel Valenzuela Saumente en los conductores, pero no en los aislantes,

a Eli Yablonovitch se le ocurrió que era posiblerealmente pequeña para lo que estamos acostum-que ciertos “colores” de luz podrían no propagarsebrados. Cada color de la luz tiene una frecuenciaen ciertos medios especiales. Él propuso que unde oscilación y una longitud de onda propias.medio podría funcionar como “conductor” paraEl ser humano puede percibir ondas lumínicasciertos “colores” de luz, pero como “aislante” paradesde los 380 nm hasta 750 nm aproximadamente,otros (de forma análoga a lo que sucede en losabarcando desde el violeta, el azul, el verde, elconductores y aislantes eléctricos) (Yablonovitch,amarillo, el naranja y hasta el rojo. Comparativa-1987). Fue así como surgió el concepto de los cris-mente, el violeta tiene menor longitud de ondatales fotónicos. Estos cristales son medios conque el rojo. Fuera de este rango de colores, quecaracterísticas especiales que impiden el paso detambién podemos llamar banda de frecuencias,luz con ciertas longitudes de onda.también existen otros colores, como el ultravioleta(menos de 380 nm) y en infrarrojo (más de 750 nm),La confirmaciónpero no podemos verlos.También existen ondas electromagnéticas conFue en 1987 cuando se propuso la existencia delongitudes de onda mucho más pequeñas, comolos cristales fotónicos (Yablonovitch, 1987) y, doslos rayos X, usados para obtener radiografías, o losaños después, su existencia fue confirmada teó-rayos gamma, que pueden afectar el ADN. Contra-ricamente (Yablonovitch y Gmitter, 1989). Más tar-riamente, las longitudes de onda pueden ser másde, también fue comprobada experimentalmentegrandes: centímetros, metros o incluso kilómetros.(Meade et al., 1992).Cada tipo de onda tiene un características diferen-A partir de entonces, se inició una carrera enla búsqueda de “mejores” cristales fotónicos condiferentes materiales y configuraciones.Pero ¿qué es un cristal fotónico? Básicamente,tes y potenciales aplicaciones.Pues bien. Conociendo estos datos sobre lasondas electromagnéticas, continuamos con loscristales fotónicos.es una estructura que tiene periodicidad, es decir,una estructura que tiene un patrón que se repite.El fenómeno físico claveEsta periodicidad puede ser en una, dos o tresdimensiones y es la clave para que estos cristales¿Cómo un cristal fotónico puede impedir el pasopuedan impedir el paso de ciertas longitudes dede una banda de frecuencias electromagnéticas?onda de la luz.Esto sucede debido a su periodicidad y al fenóme-Ya mencionamos que la luz está compuestano físico conocido como “interferencia destructiva”.por ondas electromagnéticas. Estas son perturba-Cuando dos o más ondas (sean electromagnéti-ciones de campo eléctrico y magnético que tienencas o de otro tipo) interactúan entre sí y se cance-diferentes frecuencias de oscilación.lan mutuamente, se dice que ocurrió interferenciaPor ejemplo, un color que en condiciones idea-destructiva. Usualmente, un cristal fotónico estáles percibimos como rojo, tiene una frecuencia deconformado por vacío, o aire y otro material (un442 millones de millones de oscilaciones por segun-dieléctrico o aislante eléctrico).do (442 terahertz). Cada una de estas oscilacionesCuando una onda electromagnética pasa de unmide una longitud de 678 nm (nanómetros); a esamedio a otro, como en este caso de aire a dieléctri-medida se le llama longitud de onda. Como refe-co o viceversa, cierto porcentaje de la onda atrave-rencia, un cabello humano mide aproximadamentesará al otro medio y otro porcentaje será reflejado100 µm (micrómetros o micras), la décima parte deen direcciones que dependerán de los paráme-un milímetro. Un nanómetro es la milésima partetros del cristal, de manera que, fortuitamente, lade un micrómetro. Entonces, 678 nm sería casi la séptima parte de una micra. Una distancia¿Qué es la fotónica?47

Emilio Salceda. Xinacates. San Nicolás de los Ranchos, Puebla, 2017.interferencia destructiva aparece. ¿Fortuitamente?Retomando el ejemplo anterior, si tenemos un¡Eso no suena muy científico que digamos! ¡Puescristal fotónico que tenga una única banda pro-así es! No hay manera de saber si un cristal fotó-hibida entre 495 y 505 nm, y la luz del Sol incidenico presentará selectividad para el paso de cier-sobre él, el cristal absorbería los colores fuera detas longitudes de onda y otras no hasta hacer losla banda y reflejaría el color dentro de esa banda,cálculos correspondientes. Diferentes parámetrosy el cristal aparecería como azul a nuestros ojos. Elen un cristal fotónico se ajustan para propiciar lacristal funcionaría como un espejo monocolor, ab-aparición de esta selectividad de bandas (bandassorbería todos los colores y reflejaría solo el azul.permitidas y bandas prohibidas). Uno de estos pa-La interferencia destructiva es el fenómeno físicorámetros es el periodo que, al repetirse, forma elclave para la existencia de los cristales fotónicos.cristal. El tamaño del periodo es muy importantepues determina en qué rango de frecuencias estaráLa naturaleza pone el ejemplola banda prohibida.Por ejemplo, si se quiere que la banda prohibidaComo se mencionó, parte de las aplicaciones deesté en el azul a 500 nm, entonces el periodo dellos cristales fotónicos ha sido enfocada en la me-cristal debe ser cercano a ese tamaño y estar enjora o sustitución de los dispositivos electrónicos.ese mismo orden de magnitud, esto es, unos pocosEn años recientes, diferentes estudios han suma-cientos de nanómetros. Esta es una regla generaldo esfuerzos para la realización de diodos (Purayilpara cualquier cristal fotónico. Ahora, ¿cuál es laet al., 2022; Ye et al., 2018) y transistores (Arkhipkinutilidad de estas bandas prohibidas?y Myslivets, 2013; Yanik et al., 2003) completamente48ópticos. Estos dispositivos son elementos fundaJesús Daniel Valenzuela Saumentales de la electrónica actual en aplicaciones