Hva er en Photonic Crystal?

Fotoniske krystaller, også kjent som fotoniske bandgapmaterialer, er periodiske nanostrukturer som selektivt kan rette bølgelengder av lys på omtrent samme måte som halvledere på en datamaskinbrikke selektivt slipper gjennom visse elektroniske energibånd. Begrepet "bandgap" refererer bare til hull i det spektrale lysbåndet som skinner gjennom. En regnbue, for eksempel, mangler båndhull, fordi vann er gjennomsiktig og ikke absorberer noen spesifikk frekvens. En regnbue som går gjennom en fotonisk krystall vil ha selektive hull avhengig av den spesielle nanostrukturen i krystallen.

Det er et par naturlige materialer som tilnærmer seg strukturen til en fotonisk krystall. En av dem er edelsten-opalen. Regnbue-lignende iridescence er forårsaket av periodiske nanostrukturer i. Nanostrukturens periodisitet avgjør hvilke bølgelengder av lys som er tillatt gjennom og hvilke som ikke er det. Perioden på strukturen må være halvparten av bølgelengden til lyset som tillates gjennom. Bølgelengdene som tillates passering er kjent som "modi", mens de forbudte bølgelengdene er de fotoniske båndhullene. Et opal er ikke en ekte fotonisk krystall fordi den mangler et komplett båndgap, men det tilnærmer seg en tett nok til formålene med denne artikkelen.

Et annet naturlig forekommende materiale som inkluderer en fotonisk krystall er vingene til noen sommerfugler som slekten Morpho. Disse gir vakre blå iriserende vinger.

Fotoniske krystaller ble først studert av den berømte britiske forskeren Lord Raleigh i 1887. En syntetisk endimensjonal fotonisk krystall som ble kalt et Bragg-speil var gjenstand for studiene. Selv om selve Bragg-speilet er en todimensjonal overflate, produserer det bare båndgapeffekten i en dimensjon. Disse har blitt brukt til å produsere reflekterende belegg der refleksjonsbåndet tilsvarer det fotoniske båndgapet.

Hundre år senere, i 1987, foreslo Eli Yablonovitch og Sajeev John muligheten for to- eller tredimensjonale fotoniske krystaller, som ville gi bandgap i flere forskjellige retninger samtidig. Man ble raskt klar over at slike materialer ville ha mange bruksområder innen optikk og elektronikk, så som lysdioder, optisk fiber, nanoskopiske lasere, ultrahvit pigment, radioantenner og reflekser og til og med optiske datamaskiner. Forskning på fotoniske krystaller pågår.

En av de største utfordringene innen fotonisk krystallforskning er den lille størrelsen og presisjonen som kreves for å produsere båndgapeffekten. Syntese av krystaller med periodiske nanostrukturer er ganske vanskelig med dagens produksjonsteknologier som fotolitografi. 3D-fotoniske krystaller er designet, men bare produsert i ekstremt begrenset skala. Kanskje med massevareproduksjonen av disse krystallene vil bli mulig med bruk av bottom-up-produksjon, eller molekylær nanoteknologi.