Co to jest kryształ fotoniczny?

Kryształy fotoniczne, znane również jako fotoniczne materiały pasmowe, są okresowymi nanostrukturami, które mogą selektywnie kierować długości fali światła w taki sam sposób, jak półprzewodniki na chipie komputerowym selektywnie przepuszczane przez niektóre elektroniczne pasma energii. Termin „Bandgap” odnosi się jedynie do luk w spektralnym pasie światła, przez który świeci. Na przykład tęcza brakuje luk pasmowych, ponieważ woda jest przezroczysta i nie pochłania żadnej określonej częstotliwości. Tęcza przechodzącego przez kryształ fotoniczny miałby selektywne luki w zależności od konkretnej nanostruktury w krysztale.

Istnieje kilka naturalnych materiałów, które przybliżają strukturę fotonicznego kryształu. Jednym z nich jest opal kamieni szlachetny. Jego tęczowa opalizowanie jest spowodowane okresowymi nanostrukturami wewnątrz. Okresowość nanostruktury określa, które długości fali światła są dozwolone, a które nie. Okres konstrukcji musi być połowa długości fali światła, która jestPrzez przepłynięcie. Doświadczone długości fali są znane jako „tryby”, podczas gdy zakazane długości fali są lukami pasm fotonicznych. Opal nie jest prawdziwym kryształem fotonicznym, ponieważ brakuje mu całkowitej luki pasmowej, ale przybliża ją wystarczająco ściśle do celów tego artykułu.

Kolejnym naturalnie występującym materiałem zawierającym kryształ fotoniczny są skrzydła niektórych motyli, takich jak rodzaj Morpho. Przybierają one piękne niebieskie opalizujące skrzydła.

Kryształy fotoniczne zostały po raz pierwszy zbadane przez słynnego brytyjskiego naukowca Lorda Raleigh w 1887 r. Syntetyczny jednowymiarowy kryształ fotoniczny zwany lustrem Bragga był przedmiotem jego badań. Chociaż samo lustro Bragga jest dwuwymiarową powierzchnią, wytwarza efekt przerwy pasmowej tylko w jednym wymiarze. Zostały one wykorzystane do wytwarzania powłok odblaskowych, w których pasmo odbijające odpowiada szczelinie pasma fotonicznego.

Sto lat później, w 1987 r., Eli Yablonovitch i Sajeev John zasugerowali możliwość dwu- lub trójwymiarowych kryształów fotonicznych, które wytwarzałyby luki pasmowe w kilku różnych kierunkach jednocześnie. Szybko uświadomiono, że takie materiały będą miały wiele zastosowań w optyce i elektronice, takich jak diody LED, światłowód, lasery nanoskopowe, ultrawhite pigment, anteny radiowe i reflektory, a nawet komputery optyczne. Trwają badania nad kryształami fotonicznymi.

Jednym z największych wyzwań w badaniach kryształów fotonicznych jest niewielki rozmiar i precyzja wymagana do wytworzenia efektu przerwy pasmowej. Syntezowanie kryształów z nanostrukturami z epoki jest dość trudne w przypadku dzisiejszych technologii produkcyjnych, takich jak fotolitografia. Zaprojektowano 3D fotoniczne kryształy, ale wytworzone tylko na bardzo ograniczoną skalę. Być może wraz z pojawieniem się produkcji oddolnej lub nanotechnologii molekularnej masowa produkcja tych kryształów stanie się POSsible.