De cómo unas capas de silicio pueden hacer al vacío mejor aislante térmico.

El año pasado un equipo liderado por Shanhui Fan de la Universidad de Stanford (EE.UU.) encontró que, teóricamente, una estructura conocida como cristal fotónico podría bloquear el flujo de energía térmica incluso mejor que el vacío [1]. Ahora, el mismo equipo presenta en Physical Review B [2] una teoría completa explicando el fenómeno, y revela que la capacidad aislante de la estructura es, sorprendentemente, independiente de sus detalles estructurales. Este trabajo sugiere que los cristales fotónicos podrían tener en un futuro aplicaciones por sus propiedades térmicas, además de las que ya se les prevé en comunicaciones y computación.

El café en un termo está rodeado de un vacío que se ha hecho entre las paredes interna y externa del termo, lo que impide que el calor escape por conducción a través de las paredes, lo que ocurriría si hubiese una única pared. Pero, por muy bien hecho que esté el termo y el vacío entre sus paredes, el café terminará enfriándose porque irradia energía en el infrarrojo, que son unas ondas electromagnéticas de unas longitudes de onda dadas y que, como tales, pueden atravesar el vacío.

Los cristales fotónicos están compuestos por nanoestructuras dieléctricas o metalodieléctricas periódicas que afectan a la propagación de las ondas electromagnéticas. Esencialmente, los cristales fotónicos contienen regularmente regiones alternas repetitivas de alta y baja constante dieléctrica. Los fotones (comportándose como ondas) se propagan por esta estructura o no dependiendo de su longitud de onda. Las longitudes de onda que pueden propagarse por la estructura se llaman modos y los grupos de modos forman bandas. Las bandas que no pueden propagarse por la estructura se llaman huecos de banda fotónicos.

El equipo de investigadores se preguntó si los cristales fotónicos, con su capacidad para bloquear ciertas longitudes de onda, podrían bloquear el amplio rango de longitudes infrarrojas que irradia un cuerpo caliente. El año pasado estudiaron teóricamente una pila de capas alternas de silicio y vacío, calculando la transmitancia térmica, la facilidad con la que los fotones infrarrojos podían atravesarla. Después de evaluar diversas configuraciones encontraron que en una pila de 100 micras de espesor que contuviese 10 capas de 1 micra de silicio, a temperaturas iguales o superiores a la del ambiente, la transmitancia térmica era la mitad que la del vacío. Por lo que el café en un termo hecho con una pared de cristal fotónico permanecería caliente más tiempo que en el mejor termo normal.

Si este resultado ya podía ser paradójico, en el estudio teórico que ahora publica el equipo de Fan, en el que han aplicado métodos estadísticos debido a la gran cantidad de huecos de banda que intervienen, aparece otro no menos sorprendente. La transmitancia térmica no dependería del espesor de las capas individuales sino de lo rápido que la luz viaje a través de ellas (el índice de refracción del sólido). Habitualmente, en otras aplicaciones, el detalle de la estructura de un cristal fotónico es un aspecto crítico. Es decir, en este caso la transmitancia está determinada por los materiales disponibles y no por la geometría de las capas. Pero, ¿las características del cristal fotónico no venían dadas por su regularidad y geometría? He aquí una nueva paradoja.

Referencias:

[1]

Lau, W., Shen, J., Veronis, G., Fan, S., & Braun, P. (2008). Tuning coherent radiative thermal conductance in multilayer photonic crystals Applied Physics Letters, 92 (10) DOI: 10.1063/1.2890433

[2]

Lau, W., Shen, J., & Fan, S. (2009). Universal features of coherent photonic thermal conductance in multilayer photonic band gap structures Physical Review B, 80 (15) DOI: 10.1103/PhysRevB.80.155135