Was ist ein photonischer Kristall?
Photonische Kristalle, auch als photonische Bandlückenmaterialien bezeichnet, sind periodische Nanostrukturen, die Lichtwellenlängen selektiv lenken können, ähnlich wie Halbleiter auf einem Computerchip bestimmte elektronische Energiebänder selektiv durchlassen. Der Begriff "Bandlücke" bezieht sich lediglich auf Lücken in dem Spektralband des durchscheinenden Lichts. Ein Regenbogen hat zum Beispiel keine Bandlücken, weil Wasser transparent ist und keine bestimmte Frequenz absorbiert. Ein Regenbogen, der einen photonischen Kristall durchläuft, würde in Abhängigkeit von der speziellen Nanostruktur innerhalb des Kristalls selektive Lücken aufweisen.
Es gibt einige natürliche Materialien, die sich der Struktur eines photonischen Kristalls annähern. Einer von ihnen ist der Edelsteinopal. Sein regenbogenartiges Schillern wird durch periodische Nanostrukturen im Inneren verursacht. Die Periodizität der Nanostruktur bestimmt, welche Lichtwellenlängen durchgelassen werden und welche nicht. Die Periode der Struktur muss die halbe Wellenlänge des durchgelassenen Lichts betragen. Die durchgelassenen Wellenlängen werden als "Moden" bezeichnet, während die verbotenen Wellenlängen die photonischen Bandlücken sind. Ein Opal ist kein echter photonischer Kristall, da ihm eine vollständige Bandlücke fehlt, aber für die Zwecke dieses Artikels eine annähernd ausreichende.
Ein anderes natürlich vorkommendes Material, das einen photonischen Kristall enthält, sind die Flügel einiger Schmetterlinge wie der Gattung Morpho. Diese lassen wunderschöne blau schillernde Flügel entstehen.
Photonische Kristalle wurden erstmals 1887 vom berühmten britischen Wissenschaftler Lord Raleigh untersucht. Ein synthetischer eindimensionaler photonischer Kristall namens Bragg-Spiegel war Gegenstand seiner Untersuchungen. Obwohl der Bragg-Spiegel selbst eine zweidimensionale Oberfläche ist, erzeugt er nur den Bandlückeneffekt in einer Dimension. Diese wurden verwendet, um reflektierende Beschichtungen herzustellen, bei denen das Reflexionsband der photonischen Bandlücke entspricht.
Hundert Jahre später, 1987, schlugen Eli Yablonovitch und Sajeev John die Möglichkeit von zwei- oder dreidimensionalen photonischen Kristallen vor, die Bandlücken in mehrere Richtungen gleichzeitig erzeugen würden. Es war schnell klar, dass solche Materialien zahlreiche Anwendungen in der Optik und Elektronik haben würden, wie LEDs, Lichtwellenleiter, nanoskopische Laser, ultrawhite Pigmente, Radioantennen und -reflektoren und sogar optische Computer. Die Forschung an photonischen Kristallen ist im Gange.
Eine der größten Herausforderungen in der Forschung an photonischen Kristallen ist die geringe Größe und Präzision, die zur Erzeugung des Bandlückeneffekts erforderlich ist. Die Synthese von Kristallen mit periodischen Nanostrukturen ist mit heutigen Herstellungstechnologien wie der Photolithographie recht schwierig. Photonische 3D-Kristalle wurden entworfen, aber nur in äußerst begrenztem Maßstab hergestellt. Vielleicht wird mit dem Aufkommen der Bottom-up-Herstellung oder der molekularen Nanotechnologie die Massenproduktion dieser Kristalle möglich.