Wat is een fotonisch kristal?
Fotonische kristallen, ook bekend als fotonische bandgapmaterialen, zijn periodieke nanostructuren die selectief lichtlengten van licht kunnen sturen op vrijwel dezelfde manier als halfgeleiders op een computerchip die selectief door bepaalde elektronische energiebanden laat. De term "bandgap" verwijst alleen maar naar openingen in de spectrale lichtband die erdoorheen schijnt. Een regenboog ontbreekt bijvoorbeeld aan bandlocaties, omdat water transparant is en geen specifieke frequentie absorbeert. Een regenboog die door een fotonisch kristal gaat, zou selectieve gaten 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 binnenin. De periodiciteit van de nanostructuur bepaalt welke golflengten van licht door zijn toegestaan en welke niet. De periode van de structuur moet de helft van de golflengte van het licht zijn dat eenllowed door. De door de golflengte toegestane doorgang staat bekend als "modi", terwijl de verboden golflengten de fotonische bandschiaten zijn. Een opaal is geen echt fotonisch kristal omdat het een complete bandafstand mist, maar het benadert iemand nauw genoeg voor de doeleinden van dit artikel.
Een ander natuurlijk voorkomend materiaal dat een fotonisch kristal omvat, zijn de vleugels van sommige vlinders zoals het geslacht Morpho. Deze geven aanleiding tot mooie blauwe iriserende vleugels.
Fotonische kristallen werden voor het eerst bestudeerd door de beroemde Britse wetenschapper Lord Raleigh in 1887. Een synthetisch eendimensionaal fotonisch kristal genaamd een Bragg Mirror was het onderwerp van zijn studies. Hoewel de Bragg -spiegel zelf een tweedimensionaal oppervlak is, produceert het alleen het bandspleeteffect 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 in verschillende richtingen in verschillende richtingen in verschillende richtingen zouden worden geproduceerd. Het werd snel gerealiseerd dat dergelijke materialen talloze toepassingen zouden hebben in optica en elektronica, zoals LED's, optische vezels, nanoscopische lasers, ultrawhietpigment, radioantennes 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 grootte en precisie die nodig is om het bandafstandseffect te produceren. Synthetiseren van kristallen met periode nanostructuren is vrij moeilijk met hedendaagse productietechnologieën zoals fotolithografie. 3-D fotonische kristallen zijn ontworpen, maar alleen op een extreem beperkte schaal gefabriceerd. Misschien met de komst van bottom-up productie of moleculaire nanotechnologie, wordt de massaproductie van deze kristallen possible.