Na Palestra Killian de 2025 do MIT, o físico John Joannopoulos relata os destaques de uma carreira no Vanguard of Photonics Analysis and Innovation.
Quando você está desafiando uma suposição centenária, é obrigado a encontrar um pouco de resistência. Isso é exatamente o que John Joannopoulos e seu grupo no MIT enfrentou em 1998, quando eles apresentaram uma nova teoria sobre como os materiais podem ser feitos para dobrar a luz de maneiras inteiramente novas.
“Como period uma diferença tão grande no que as pessoas esperavam, escrevemos a teoria para isso, mas foi muito difícil publicá -lo”, disse Joannopoulos a uma multidão de capacidade no Huntington Corridor do MIT na sexta -feira, enquanto ele entregou a Palestra do Prêmio James R. Killian Jr. Jr. Jr. Jr.
A teoria de Joannopoulos ofereceu uma nova visão de um tipo de materials conhecido como cristal fotônico unidimensional. Os cristais fotônicos são feitos de camadas alternadas de estruturas refrativas cujo arranjo pode influenciar como a luz de entrada é refletida ou absorvida.
Em 1887, o físico inglês John William Strutt, mais conhecido como Lord Rayleigh, estabeleceu uma teoria de como a luz deve dobrar através de uma estrutura semelhante composta por múltiplas camadas refrativas. Rayleigh previu que essa estrutura poderia refletir a luz, mas apenas se essa luz vier de um ângulo muito específico. Em outras palavras, essa estrutura poderia atuar como um espelho para a luz que brilhava apenas a partir de uma direção específica.
Mais de um século depois, Joannopoulos e seu grupo descobriram que, de fato, o contrário period verdadeiro. Eles provaram em termos teóricos que, se um cristal fotônico unidimensional fosse feito de camadas de materiais com certos “índices de refração”, dobrando a luz em diferentes graus, então o cristal como um todo deve ser capaz de refletir a luz proveniente de toda e qualquer direção. Tal arranjo poderia atuar como um “espelho perfeito.”
A idéia foi um grande afastamento do que os cientistas haviam assumido há muito tempo e, como tal, quando Joannopoulos apresentou a pesquisa para a revisão por pares, levou algum tempo para a revista e a comunidade aparecer. Mas ele e seus alunos continuaram, finalmente, verificando a teoria com experimentos.
Esse trabalho levou a uma publicação de alto perfil, que ajudou o grupo a concentrar a idéia em um dispositivo: usando os princípios que eles estabeleceram, eles efetivamente fabricou um espelho perfeito e o dobraram em um tubo para formar uma fibra de núcleo oco. Quando eles brilhavam, o inside da fibra refletia toda a luz, prendendo -a inteiramente no núcleo, enquanto a luz pingava através da fibra. Em 2000, a equipe lançou uma startup para desenvolver ainda mais a fibra em um “bisturi fotônico” flexível, altamente preciso e minimamente invasivo, que já foi usado em centenas de milhares de procedimentos médicos, incluindo cirurgias do cérebro e da coluna.
“E entendam isso: estimamos mais de 500.000 procedimentos em hospitais nos EUA e no exterior”, afirmou Joannopoulos, para aplausos apreciativos.
Joannopoulos é o ganhador do prêmio de Realização da Faculdade de James 2024-2025 James R. Killian, Jr. Em resposta a um membro da platéia que perguntou o que o motivou diante do ceticismo inicial, ele respondeu: “Você precisa perseverar se acredita no que tem está correto”.
Impacto incomensurável
O prêmio Killian foi criado em 1971 para homenagear o 10º presidente do MIT, James Killian. A cada ano, um membro do corpo docente do MIT é homenageado com o prêmio em reconhecimento às suas extraordinárias realizações profissionais.
Joannopoulos recebeu seu doutorado pela Universidade da Califórnia em Berkeley em 1974 e imediatamente ingressou na faculdade de física do MIT. Ao apresentar sua palestra, Mary Fuller, professora de literatura e presidente da faculdade do MIT, observou: “Se você fizer as contas, saberá que ele acabou de comemorar 50 anos no MIT”. Ao longo desse notável mandato, Fuller observou o profundo impacto de Joannopoulos em gerações de estudantes do MIT.
“Nós o reconhecemos como líder, cientista visionário, amado mentor e crente na bondade das pessoas”, disse Fuller. “Seu impacto lendário no MIT e a comunidade científica mais ampla é imensurável”.
Luz dobrada
Em sua palestra, que ele intitulou “Trabalhando na velocidade da luz”, Joannopoulos levou a platéia através dos conceitos básicos subjacentes aos cristais fotônicos e pelas maneiras pelas quais ele e outros mostraram que esses materiais podem dobrar e torcer a luz de entrada de maneira controlada.
Como ele o descreveu, os cristais fotônicos são “materiais artificiais” que podem ser projetados para influenciar as propriedades dos fótons de uma maneira semelhante a como as características físicas nos semicondutores afetam o fluxo de elétrons. No caso de semicondutores, esses materiais têm uma “lacuna de banda” específica ou uma variedade de energias nas quais os elétrons não podem existir.
Nos anos 90, Joannopoulos e outros se perguntaram se os mesmos efeitos poderiam ser realizados para materiais ópticos, para refletir ou impedir intencionalmente alguns tipos de luz enquanto deixam os outros passarem. E ainda mais intrigante: um único materials poderia ser projetado de modo que as pinballs leves de entrada de certas regiões em um materials em caminhos pré -projetados?
“A resposta foi um retumbante que sim”, disse ele.
Joannopoulos descreveu a emoção dentro do campo emergente citando um editor do Journal Naturezaque escreveu na época: “Se fosse possível fazer materiais nos quais ondas eletromagnéticas não possam se propagar em certas frequências, todos os tipos de coisas quase mágicas seriam possíveis”.
Joannopoulos e seu grupo no MIT começaram a seriamente elucidar as maneiras pelas quais a luz interage com a matéria e o ar. A equipe trabalhou primeiro com cristais fotônicos bidimensionais feitos a partir de um padrão horizontal semelhante à matriz de pontos de silício cercado por ar. O silício possui um alto índice de refração, o que significa que pode dobrar ou refletir muito, enquanto o ar tem um índice muito menor. Joannopoulos previu que o silício poderia ser modelado para se afastar do ping, forçando -o a viajar pelo ar em caminhos predeterminados.
Em vários trabalhos, ele e seus alunos mostraram através da teoria e dos experimentos que eles poderiam projetar cristais fotônicos, por exemplo, dobrar a luz recebida em 90 graus e forçar a luz a round apenas nas bordas de um cristal sob um campo magnético aplicado.
“Ao longo dos anos, houve alguns exemplos que descobrimos de um comportamento estranho e muito anômalo de luz que não pode existir em objetos normais”, disse ele.
Em 1998, depois de mostrar que a luz pode ser refletida de todas as direções de um cristal fotônico unidimensional empilhado, ele e seus alunos rolaram a estrutura cristalina em uma fibra, que eles testaram em um laboratório. Em um vídeo que Joannopoulos tocou para a platéia, um aluno apontou cuidadosamente o fim da fibra longa e flexível em uma folha de materials feita do mesmo materials que o invólucro da fibra. À medida que a luz bombeava através do revestimento fotônico de várias camadas da fibra e fora da outra extremidade, o aluno usou a luz para gravar lentamente um design de rosto sorridente no lençol, desenhando risadas da multidão.
Como o vídeo demonstrou, embora a luz fosse intensa o suficiente para derreter o materials do revestimento da fibra, ela estava totalmente contida no núcleo da fibra, graças ao design de várias camadas de seu revestimento fotônico. Além disso, a luz estava focada o suficiente para fazer padrões precisos quando brilhava da fibra.
“Nós originalmente desenvolvemos isso (fibra óptica) como dispositivo militar”, disse Joannopoulos. “Mas então a escolha óbvia de usá -lo para a população civil foi bastante clara.”
“Acreditando na bondade das pessoas e no que elas podem fazer”
Ele e outros co-fundam a Omniguide em 2000, que desde então se transformou em uma empresa de dispositivos médicos que desenvolve e comercializa ferramentas cirúrgicas minimamente invasivas, como o “bisturi fotônico” baseado em fibra. Ao ilustrar o impacto da fibra, Joannopoulos reproduziu um vídeo de notícias, destacando o uso da fibra na realização de neurocirurgia precisa e eficaz. O bisturi óptico também foi usado para realizar procedimentos em laringe, cirurgia de cabeça e pescoço e ginecologia, juntamente com cirurgias cerebrais e espinhais.
O Omniguide é uma das várias startups que Joannopoulos ajudou a encontrar, juntamente com a Luminus Gadgets, Inc., Witricity Company, Hurricane Hil, Inc. e Lightelligence. Ele é autor ou co-autor de mais de 750 artigos de periódicos arbitrados, quatro livros didáticos e 126 patentes nos emitiu. Ele ganhou inúmeros reconhecimentos e prêmios, incluindo sua eleição para a Academia Nacional de Ciências e a Academia Americana de Artes e Ciências.
O prêmio Killian afirma: “O professor Joannopoulos tem sido um modelo consistente não apenas no que ele faz, mas em como ele faz isso.
No ultimate da palestra, Yoel Fink, ex -aluno e colaborador frequente de Joannopoulos, que agora é professor de ciência de materiais, perguntou a Joannopoulos como, particularmente nos tempos atuais, ele conseguiu “manter uma perspectiva tão positiva e otimista, de seres humanos e natureza humana”.
“É uma questão de acreditar na bondade das pessoas e no que elas podem fazer, o que realizam e dar um ambiente em que estão trabalhando, onde se sentem externamente confortáveis”, ofereceu Joannopoulos. “Isso inclui a criação de um senso de confiança entre o corpo docente e os alunos, o que é basic.
