Che cos'è un cristallo fotonico?

I cristalli fotonici, noti anche come materiali fotonici a banda larga, sono nanostrutture periodiche che possono dirigere selettivamente le lunghezze d'onda della luce più o meno allo stesso modo dei semiconduttori su un chip di computer che lasciano passare selettivamente determinate bande di energia elettronica. Il termine "gap di banda" si riferisce semplicemente a lacune nella banda spettrale della luce che splende attraverso. Un arcobaleno, ad esempio, non ha lacune nella banda, perché l'acqua è trasparente e non assorbe alcuna frequenza specifica. Un arcobaleno che attraversa un cristallo fotonico avrebbe lacune selettive a seconda della particolare nanostruttura all'interno del cristallo.

Ci sono un paio di materiali naturali che si avvicinano alla struttura di un cristallo fotonico. Uno di questi è l'opale di pietre preziose. La sua iridescenza simile ad un arcobaleno è causata da periodiche nanostrutture all'interno. La periodicità della nanostruttura determina quali lunghezze d'onda della luce sono consentite e quali no. Il periodo della struttura deve essere la metà della lunghezza d'onda della luce che è permessa attraverso. Le lunghezze d'onda consentite passaggio sono conosciute come "modalità" mentre le lunghezze d'onda proibite sono gli spazi della banda fotonica. Un opale non è un vero cristallo fotonico perché manca di un gap di banda completo, ma si avvicina a uno abbastanza vicino ai fini di questo articolo.

Un altro materiale naturale che include un cristallo fotonico sono le ali di alcune farfalle come il genere Morpho. Questi danno origine a bellissime ali blu iridescenti.

I cristalli fotonici furono studiati per la prima volta dal famoso scienziato britannico Lord Raleigh nel 1887. Un cristallo fotonico unidimensionale sintetico chiamato specchio di Bragg fu oggetto dei suoi studi. Sebbene lo specchio Bragg stesso sia una superficie bidimensionale, produce solo l'effetto gap di banda in una dimensione. Questi sono stati usati per produrre rivestimenti riflettenti in cui la banda di riflessione corrisponde allo spazio della banda fotonica.

Cento anni dopo, nel 1987, Eli Yablonovitch e Sajeev John suggerirono la possibilità di cristalli fotonici bidimensionali o tridimensionali, che avrebbero prodotto lacune di banda in diverse direzioni contemporaneamente. Si è realizzato rapidamente che tali materiali avrebbero avuto numerose applicazioni nell'ottica e nell'elettronica, come LED, fibre ottiche, laser nanoscopici, pigmenti ultrawhite, antenne radio e riflettori e persino computer ottici. Sono in corso ricerche sui cristalli fotonici.

Una delle maggiori sfide nella ricerca sui cristalli fotonici è la dimensione e la precisione minime richieste per produrre l'effetto gap di banda. Sintetizzare cristalli con nanostrutture periodiche è piuttosto difficile con le attuali tecnologie di produzione come la fotolitografia. I cristalli fotonici 3D sono stati progettati ma fabbricati solo su scala estremamente limitata. Forse con l'avvento della produzione bottom-up o della nanotecnologia molecolare, la produzione in serie di questi cristalli diventerà possibile.