Wat is een fotonisch kristal?
Fotonische kristallen, ook bekend als fotonische bandgap-materialen, zijn periodieke nanostructuren die selectief golflengten van licht kunnen sturen op vrijwel dezelfde manier als halfgeleiders op een computerchip die selectief bepaalde elektronische energiebanden doorlaten. De term "bandgap" verwijst alleen naar openingen in de spectrale band van licht dat erdoorheen schijnt. Een regenboog mist bijvoorbeeld bandafstanden, omdat water transparant is en geen specifieke frequentie absorbeert. Een regenboog die door een fotonisch kristal gaat, zou selectieve openingen hebben, afhankelijk van de specifieke nanostructuur in het kristal.
Er zijn een paar natuurlijke materialen die de structuur van een fotonisch kristal benaderen. Een van hen is de edelsteen opaal. De regenboogachtige iridescentie wordt veroorzaakt door periodieke nanostructuren erin. De periodiciteit van de nanostructuur bepaalt welke golflengten van licht doorgelaten worden en welke niet. De periode van de structuur moet de helft van de golflengte van het doorgelaten licht zijn. De toegestane golflengtes worden "modi" genoemd, terwijl de verboden golflengten de fotonische bandafstanden zijn. Een opaal is geen echt fotonisch kristal omdat het een volledige bandkloof mist, maar het benadert er voldoende dicht voor de doeleinden van dit artikel.
Een ander natuurlijk voorkomend materiaal dat een fotonisch kristal bevat, zijn de vleugels van sommige vlinders zoals het geslacht Morpho. Deze geven aanleiding tot prachtige blauwe iriserende vleugels.
Fotonische kristallen werden voor het eerst bestudeerd door de beroemde Britse wetenschapper Lord Raleigh in 1887. Een synthetisch eendimensionaal fotonisch kristal, een Bragg-spiegel genaamd, was het onderwerp van zijn studie. Hoewel de Bragg-spiegel zelf een tweedimensionaal oppervlak is, produceert het slechts het band gap-effect in één dimensie. Deze zijn gebruikt om reflecterende coatings te produceren waarbij de reflectieband overeenkomt met de fotonische bandafstand.
Honderd jaar later, in 1987, stelden Eli Yablonovitch en Sajeev John de mogelijkheid voor van twee- of driedimensionale fotonische kristallen, die bandafstanden in verschillende richtingen tegelijk zouden produceren. Het werd al snel duidelijk dat dergelijke materialen talloze toepassingen zouden hebben in optica en elektronica, zoals LED's, optische vezels, nanoscopische lasers, ultrawit pigment, radio-antennes en reflectoren, en zelfs optische computers. Onderzoek naar fotonische kristallen is aan de gang.
Een van de grootste uitdagingen in fotonisch kristalonderzoek is de kleine omvang en precisie die nodig is om het band gap-effect te produceren. Kristallen synthetiseren met historische nanostructuren is vrij moeilijk met hedendaagse productietechnologieën zoals fotolithografie. 3D-fotonische kristallen zijn ontworpen, maar slechts op zeer beperkte schaal vervaardigd. Misschien met de komst van bottom-up productie, of moleculaire nanotechnologie, zal de massaproductie van deze kristallen mogelijk worden.