Co to jest kryształ fotoniczny?

Kryształy fotoniczne, znane również jako fotoniczne materiały pasmowe, są okresowymi nanostrukturami, które mogą selektywnie kierować długości fal światła w bardzo podobny sposób, jak półprzewodniki w chipie komputerowym selektywnie przepuszczają pewne pasma energii elektronicznej. Termin „pasmo wzbronione” odnosi się jedynie do przerw w pasmie widmowym prześwitującym światłem. Tęcza, na przykład, nie ma przerw pasmowych, ponieważ woda jest przezroczysta i nie pochłania żadnej określonej częstotliwości. Tęcza przechodząca przez kryształ fotoniczny miałaby selektywne przerwy w zależności od konkretnej nanostruktury w krysztale.

Istnieje kilka naturalnych materiałów zbliżonych do struktury kryształu fotonicznego. Jednym z nich jest opal z kamieni szlachetnych. Jego tęczowe opalizowanie jest spowodowane okresowymi nanostrukturami wewnątrz. Okresowość nanostruktury określa, przez które długości fali światło jest dozwolone, a które nie. Okres struktury musi wynosić połowę długości fali światła, które jest przepuszczane. Dopuszczalne długości fal są znane jako „tryby”, podczas gdy zabronionymi długościami fal są przerwy fotoniczne. Opal nie jest prawdziwym kryształem fotonicznym, ponieważ nie ma pełnej przerwy pasmowej, ale zbliża się do niego wystarczająco blisko do celów tego artykułu.

Innym naturalnie występującym materiałem, który zawiera kryształ fotoniczny, są skrzydła niektórych motyli, takich jak rodzaj Morpho. Dają one piękne niebieskie opalizujące skrzydła.

Kryształy fotoniczne zostały po raz pierwszy zbadane przez słynnego brytyjskiego naukowca Lorda Raleigha w 1887 r. Przedmiotem jego badań był syntetyczny jednowymiarowy kryształ fotoniczny zwany lustrem Bragga. Chociaż samo lustro Bragga jest powierzchnią dwuwymiarową, wytwarza efekt pasma wzbronionego tylko w jednym wymiarze. Zostały one wykorzystane do wytworzenia powłok odblaskowych, w których pasmo odbicia odpowiada odstępowi pasma fotonicznego.

Sto lat później, w 1987 r., Eli Yablonovitch i Sajeev John zasugerowali możliwość dwu- lub trójwymiarowych kryształów fotonicznych, które wytwarzałyby przerwy pasmowe w kilku różnych kierunkach jednocześnie. Szybko zorientowano się, że takie materiały będą miały wiele zastosowań w optyce i elektronice, takich jak diody LED, światłowód, lasery nanoskopowe, pigment ultrawitowy, 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 uzyskania efektu pasma wzbronionego. Synteza kryształów za pomocą nanostruktur z okresu jest dość trudna w przypadku współczesnych technologii wytwarzania, takich jak fotolitografia. Trójwymiarowe kryształy fotoniczne zostały zaprojektowane, ale wyprodukowane tylko w bardzo ograniczonej skali. Być może wraz z nadejściem produkcji oddolnej lub nanotechnologii molekularnej możliwa będzie masowa produkcja tych kryształów.