Quando você desafia uma suposição centenária, você está fadado a encontrar um pouco de resistência. Foi exatamente isso que John Joannopoulos e seu grupo no MIT enfrentaram em 1998, quando apresentaram uma nova teoria sobre como os materiais podem ser feitos para dobrar a luz de maneiras inteiramente novas.

"Como havia uma diferença tão grande no que as pessoas esperavam, escrevemos a teoria para isso, mas foi muito difícil publicá-la", disse Joannopoulos a uma plateia lotada no Huntington Hall do MIT na sexta-feira, enquanto ele proferia a palestra do Prêmio James R. Killian Jr. Faculty Achievement Award do MIT.

A teoria de Joannopoulos ofereceu uma nova abordagem sobre um tipo de material conhecido como cristal fotônico unidimensional. Cristais fotônicos são feitos de camadas alternadas de estruturas refrativas cujo arranjo pode influenciar como a luz incidente é refletida ou absorvida.

Em 1887, o físico inglês John William Strutt, mais conhecido como Lord Rayleigh, estabeleceu uma teoria de como a luz deveria se curvar através de uma estrutura semelhante composta de múltiplas camadas refrativas. Rayleigh previu que tal estrutura poderia refletir luz, mas somente se essa luz viesse de um ângulo muito específico. Em outras palavras, tal estrutura poderia atuar como um espelho para luz brilhando somente de uma direção específica.

Mais de um século depois, Joannopoulos e seu grupo descobriram que, na verdade, o oposto era verdade. Eles provaram em termos teóricos que, se um cristal fotônico unidimensional fosse feito de camadas de materiais com certos “índices de refração”, curvando a luz em diferentes graus, então o cristal como um todo deveria ser capaz de refletir a luz vinda de todas e quaisquer direções. Tal arranjo poderia atuar como um “ espelho perfeito ” .

A ideia era um grande afastamento do que os cientistas há muito presumiam e, como tal, quando Joannopoulos submeteu a pesquisa para revisão por pares, levou algum tempo para que o periódico e a comunidade se adaptassem. Mas ele e seus alunos continuaram, verificando a teoria com experimentos.

Esse trabalho levou a uma publicação de alto nível, que ajudou o grupo a concentrar a ideia em um dispositivo: usando os princípios que eles estabeleceram, eles efetivamente fabricaram um espelho perfeito e o dobraram em um tubo para formar uma fibra de núcleo oco. Quando eles brilharam através da luz, o interior da fibra refletiu 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 desde então tem sido usado em centenas de milhares de procedimentos médicos, incluindo cirurgias do cérebro e da coluna.

“E veja só: estimamos mais de 500.000 procedimentos em hospitais nos EUA e no exterior”, declarou Joannopoulos com orgulho, sob aplausos apreciativos.

Joannopoulos recebeu o prêmio James R. Killian, Jr. Faculty Achievement Award de 2024-2025, e é o Francis Wright Davis Professor of Physics e diretor do Institute for Soldier Nanotechnologies no MIT. Em resposta a um membro da plateia que perguntou o que o motivou diante do ceticismo inicial, ele respondeu: "Você tem que perseverar se acredita que o que você tem está correto."

O Killian Award 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 PhD da Universidade da Califórnia em Berkeley em 1974, e imediatamente se juntou ao corpo docente de física do MIT. Ao introduzir sua palestra, Mary Fuller, professora de literatura e presidente do corpo docente do MIT, observou: "Se você fizer as contas, saberá que ele acabou de comemorar 50 anos no MIT." Ao longo desse mandato notável, Fuller observou o profundo impacto de Joannopoulos em gerações de alunos do MIT.

“Nós o reconhecemos como um líder, um cientista visionário, um mentor amado e um crente na bondade das pessoas”, disse Fuller. “Seu impacto lendário no MIT e na comunidade científica mais ampla é imensurável.”

Em sua palestra, intitulada “Trabalhando na Velocidade da Luz”, Joannopoulos levou o público aos conceitos básicos que fundamentam os cristais fotônicos e às maneiras pelas quais ele e outros mostraram que esses materiais podem dobrar e torcer a luz incidente de forma controlada.

Como ele descreveu, cristais fotônicos são “materiais artificiais” que podem ser projetados para influenciar as propriedades dos fótons de uma forma similar a como características físicas em semicondutores afetam o fluxo de elétrons. No caso de semicondutores, tais materiais têm uma “banda proibida” específica, ou uma faixa de energias na qual elétrons não podem existir.

Na década de 1990, Joannopoulos e outros se perguntaram se os mesmos efeitos poderiam ser realizados para materiais ópticos, para refletir intencionalmente, ou manter fora, alguns tipos de luz enquanto deixavam outros passarem. E ainda mais intrigante: um único material poderia ser projetado de forma que a luz incidente se afastasse de certas regiões em um material em caminhos pré-projetados?

“A resposta foi um retumbante sim”, disse ele.

Joannopoulos descreveu a excitação dentro do campo emergente citando um editor da revista Nature, que escreveu na época: “Se fosse possível fazer materiais nos quais as ondas eletromagnéticas não pudessem se propagar em certas frequências, todos os tipos de coisas quase mágicas seriam possíveis.”

Joannopoulos e seu grupo no MIT começaram seriamente a elucidar as maneiras pelas quais a luz interage com a matéria e o ar. A equipe trabalhou primeiro com cristais fotônicos bidimensionais feitos de um padrão horizontal de pontos de silício cercados por ar, semelhante a uma matriz. O silício tem um alto índice de refração, o que significa que ele pode dobrar ou refletir bastante a luz, enquanto o ar tem um índice muito menor. Joannopoulos previu que o silício poderia ser padronizado para afastar a luz, forçando-a a viajar pelo ar em caminhos predeterminados.

Em vários trabalhos, ele e seus alunos mostraram por meio de teoria e experimentos que podiam projetar cristais fotônicos para, por exemplo, dobrar a luz incidente em 90 graus e forçar a luz a circular apenas nas bordas de um cristal sob um campo magnético aplicado.

“Ao longo dos anos, descobrimos vários exemplos de comportamentos de luz muito anômalos e estranhos que não podem existir em objetos normais”, disse ele.

Em 1998, após mostrar que a luz pode ser refletida de todas as direções a partir de um cristal fotônico unidimensional empilhado, ele e seus alunos enrolaram a estrutura do cristal em uma fibra, que eles testaram em um laboratório. Em um vídeo que Joannopoulos exibiu para o público, um aluno mirou cuidadosamente a ponta da fibra longa e flexível em uma folha de material feita do mesmo material que o revestimento da fibra. Conforme a luz bombeava através do revestimento fotônico multicamadas da fibra e saía pela outra ponta, o aluno usou a luz para lentamente gravar um desenho de rosto sorridente na folha, arrancando risadas da multidão.

Como o vídeo demonstrou, embora a luz fosse intensa o suficiente para derreter o material do revestimento da fibra, ela estava, no entanto, inteiramente contida dentro do núcleo da fibra, graças ao design multicamadas de seu revestimento fotônico. Além disso, a luz estava focada o suficiente para fazer padrões precisos quando brilhava para fora da fibra.

“Nós originalmente desenvolvemos isso [fibra óptica] como um dispositivo militar”, disse Joannopoulos. “Mas então a escolha óbvia de usá-lo para a população civil ficou bem clara.”

“Acreditar na bondade das pessoas e no que elas podem fazer”

Ele e outros cofundaram a Omniguide em 2000, que desde então cresceu e se tornou uma empresa de dispositivos médicos que desenvolve e comercializa ferramentas cirúrgicas minimamente invasivas, como o "bisturi fotônico" baseado em fibra. Para ilustrar o impacto da fibra, Joannopoulos exibiu 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 larinologia, cirurgia de cabeça e pescoço e ginecologia, juntamente com cirurgias cerebrais e espinhais.

Omniguide é uma das várias startups que Joannopoulos ajudou a fundar, junto com Luminus Devices, Inc., WiTricity Corporation, Typhoon HIL, Inc. e Lightelligence. Ele é autor ou coautor de mais de 750 artigos de periódicos revisados por pares, quatro livros didáticos e 126 patentes emitidas nos EUA. Ele ganhou vários reconhecimentos e prêmios, incluindo sua eleição para a Academia Nacional de Ciências e a Academia Americana de Artes e Ciências.

A citação do Prêmio Killian afirma: “O Professor Joannopoulos tem sido um modelo consistente não apenas no que faz, mas em como o faz. … Por meio de todos esses indivíduos que ele impactou — sem mencionar seus descendentes acadêmicos — o Professor Joannopoulos teve uma vasta influência no desenvolvimento da ciência nas últimas décadas.”

No final da palestra, Yoel Fink, antigo aluno e colaborador frequente de Joannopoulos, que agora é professor de ciência dos materiais, perguntou a Joannopoulos como, particularmente nos tempos atuais, ele conseguiu “manter uma visão tão positiva e otimista dos humanos e da natureza humana”.

“É uma questão de acreditar na bondade das pessoas e no que elas podem fazer, no que elas realizam, e dar um ambiente onde elas estejam trabalhando, onde elas se sintam extremamente confortáveis”, Joannopoulos ofereceu. “Isso inclui criar um senso de confiança entre o corpo docente e os alunos, o que é essencial. Isso ajuda enormemente.”