Hvad er en fotonisk krystal?
Fotoniske krystaller, også kendt som fotoniske båndhullematerialer, er periodiske nanostrukturer, der selektivt kan rette bølgelængder af lys på meget den samme måde som halvledere på en computerchip selektivt lade gennem visse elektroniske energibånd. Udtrykket "bandgap" henviser kun til huller i det spektrale lysbånd, der skinner igennem. En regnbue mangler for eksempel båndhuller, fordi vand er gennemsigtigt og ikke absorberer nogen specifik frekvens. En regnbue, der går gennem en fotonisk krystal, ville have selektive mellemrum afhængigt af den særlige nanostruktur i krystallen.
Der er et par naturlige materialer, der tilnærmer sig strukturen af en fotonisk krystal. En af dem er ædelsten-opalen. Dens regnbue-lignende iriserende virkning er forårsaget af periodiske nanostrukturer indeni. Periodiciteten af nanostrukturen bestemmer, hvilke bølgelængder af lys, der er tilladt igennem, og hvilke ikke. Strukturen skal være halvdelen af bølgelængden af det lys, der er tilladt. Den tilladte passage af bølgelængderne kaldes "tilstande", mens de forbudte bølgelængder er de fotoniske båndhuller. En opal er ikke en ægte fotonisk krystal, fordi den mangler en fuldstændig båndspalte, men den tilnærmer sig en tæt nok til formålet med denne artikel.
Et andet naturligt forekommende materiale, der inkluderer en fotonisk krystal, er vingerne på nogle sommerfugle, såsom slægten Morpho. Disse giver anledning til smukke blå iriserende vinger.
Fotoniske krystaller blev først undersøgt af den berømte britiske videnskabsmand Lord Raleigh i 1887. En syntetisk, en-dimensionel fotonisk krystal kaldet et Bragg-spejl var genstand for hans studier. Selv om selve Bragg-spejlet er en todimensionel overflade, producerer det kun båndgapeffekten i en dimension. Disse er blevet brugt til at fremstille reflekterende belægninger, hvor reflektionsbåndet svarer til det fotoniske båndspalte.
Hundrede år senere, i 1987, foreslog Eli Yablonovitch og Sajeev John muligheden for to- eller tredimensionelle fotoniske krystaller, der ville producere båndhuller i flere forskellige retninger på én gang. Man blev hurtigt klar over, at sådanne materialer ville have adskillige applikationer inden for optik og elektronik, såsom LED, optisk fiber, nanoskopiske lasere, ultrahvide pigment, radioantenner og reflektorer og endda optiske computere. Forskning i fotoniske krystaller er i gang.
En af de største udfordringer inden for fotonisk krystalforskning er den lille størrelse og præcision, der kræves for at producere båndgapeffekten. Syntese af krystaller med periodiske nanostrukturer er ret vanskeligt med nutidens fremstillingsteknologier, såsom fotolitografi. 3D-fotoniske krystaller er designet, men kun fremstillet i ekstremt begrænset skala. Måske med fremkomsten af bottom-up-fremstilling eller molekylær nanoteknologi vil masseproduktionen af disse krystaller blive mulig.