Análisis espectral de cristales fotónicos bicapa con superred de moiré para la construcción de dispositivos ópticos (2025)
Los cristales fotónicos son estructuras con una permitividad eléctrica periódica, capaces de controlar la propagación de la luz mediante el diseño y caracterización de sus bandas fotónicas, también conocidas como Band Gaps. Paralelamente, los patrones de moiré (entendidos como patrones de interferencia que emergen en estructuras multicapa con simetrías y periodicidades espaciales) inducen superredes estructurales en cristales fotónicos de múltiples capas. Estas superestructuras confieren a la geometría estudiada propiedades fotónicas dinámicas, modificando su estructura de bandas y las brechas fotónicas prohibidas asociadas. En este trabajo de tesis se desarrolla un estudio teórico que parte de conceptos fundamentales de la Física del Estado Sólido, estableciendo una analogía con los cristales electrónicos, con el objetivo de extender la comprensión de los cristales fotónicos a partir de dicho paralelismo. Además, se presenta el formalismo y los métodos numéricos adecuados para la simulación computacional de estas estructuras, brindando las herramientas necesarias para su análisis en el dominio fotónico. En particular, se realiza una caracterización computacional en COMSOL Multiphysics de un análogo fotónico del grafeno rotado bicapa, en el cual se induce una superred de moiré mediante la selección precisa de un ángulo de rotación. Esta caracterización se fundamenta en predicciones teóricas derivadas de un modelo Tight Binding formulado en el espacio de frecuencias para el grafeno, con el fin de evidenciar la aparición de brechas fotónicas dinámicas análogas a las electrónicas, bajo configuraciones estructurales que pueden ser controladas mediante parámetros mecánicos. Específicamente, se diseña y simula una estructura bicapa con simetría tipo panal en una configuración de intercambio de subred par (SE Even), obtenida al rotar una de las capas respecto a la otra en un ángulo mágico de 38.213°. Para este diseño se emplean estructuras metálicas, siguiendo la línea de investigaciones previas sobre análogos fotónicos de materiales bidimensionales. Los resultados computacionales muestran la apertura robusta de una brecha de banda fotónica en este ángulo particular, lo que confirma la sensibilidad de la estructura tanto a la simetría como al acoplamiento entre capas. Actualmente se están desarrollando esfuerzos experimentales orientados a validar las predicciones teóricas, con avances preliminares que resultan prometedores. Estos hallazgos abren nuevas y estimulantes perspectivas para el diseño de dispositivos fotónicos ajustables (como filtros ópticos, guías de onda y sensores) con posibles aplicaciones en telecomunicaciones, inspirados en las propiedades de los sistemas electrónicos.