Co je fotonický krystal?
Fotonické krystaly, také známé jako fotonické bandgapové materiály, jsou periodické nanostruktury, které mohou selektivně řídit vlnové délky světla téměř stejným způsobem jako polovodiče na počítačovém čipu selektivně propouštějícím určité elektronické energetické pásy. Pojem „bandgap“ označuje pouze mezery ve spektrálním pásmu světla, které skrz něj prochází. Například duha postrádá mezery v pásmu, protože voda je průhledná a neabsorbuje žádnou specifickou frekvenci. Duha procházející fotonickým krystalem by měla selektivní mezery v závislosti na konkrétní nanostrukturě v krystalu.
Existuje několik přírodních materiálů, které přibližují strukturu fotonického krystalu. Jedním z nich je drahokam opál. Jeho duhovitá duhovost je způsobena periodickými nanostrukturami uvnitř. Periodicita nanostruktury určuje, které vlnové délky světla jsou povoleny a které nikoli. Období struktury musí být polovina vlnové délky světla, které je povoleno. Povolený průchod vlnových délek je známý jako „režimy“, zatímco zakázané vlnové délky jsou mezery fotonických pásem. Opál není skutečný fotonický krystal, protože postrádá úplnou mezeru v pásmu, ale pro účely tohoto článku se blíží přibližně jeden.
Dalším přirozeně se vyskytujícím materiálem, který obsahuje fotonický krystal, jsou křídla některých motýlů, jako je rod Morpho. Vznikají nádherné modré duhové křídla.
Fotonické krystaly byly poprvé studovány slavným britským vědcem Lordem Raleighem v roce 1887. Předmětem jeho studií byl syntetický jednorozměrný fotonický krystal zvaný Braggovo zrcadlo. Přestože Braggovo zrcadlo samotné je dvourozměrným povrchem, vytváří efekt pásové mezery pouze v jedné dimenzi. Byly použity k výrobě reflexních povlaků, kde odrazový pás odpovídá mezeře fotonických pásů.
O sto let později, v roce 1987, Eli Yablonovitch a Sajeev John navrhli možnost dvourozměrných nebo trojrozměrných fotonických krystalů, které by vytvořily mezery v pásmu několika různými směry najednou. Bylo rychle zjištěno, že takové materiály by měly mnoho aplikací v optice a elektronice, jako jsou LED, optické vlákno, nanoskopické lasery, ultrawhite pigment, rádiové antény a reflektory a dokonce i optické počítače. Probíhá výzkum fotonických krystalů.
Jednou z největších výzev ve výzkumu fotonických krystalů je malá velikost a přesnost potřebná k vytvoření efektu pásmové mezery. Syntéza krystalů s dobovými nanostrukturami je u současných výrobních technologií, jako je fotolitografie, docela obtížná. 3-D fotonické krystaly byly navrženy, ale vyráběny pouze v extrémně omezeném měřítku. Snad s příchodem výroby zdola nahoru nebo molekulární nanotechnologie bude možná hromadná výroba těchto krystalů.