Что такое фотонный кристалл?

Фотонные кристаллы, также известные как материалы с фотонной запрещенной зоной, представляют собой периодические наноструктуры, которые могут избирательно направлять световые волны во многом так же, как полупроводники на компьютерном чипе, избирательно пропускающие определенные электронные энергетические полосы. Термин «запрещенная зона» просто относится к промежуткам в спектральной полосе света, проходящего через него. Например, в радуге отсутствуют запрещенные зоны, потому что вода прозрачна и не поглощает какую-либо конкретную частоту. Радуга, проходящая через фотонный кристалл, будет иметь избирательные промежутки в зависимости от конкретной наноструктуры внутри кристалла.

Есть несколько природных материалов, которые приближаются к структуре фотонного кристалла. Одним из них является опал драгоценного камня. Его радужная радужность вызвана периодическими наноструктурами внутри. Периодичность наноструктуры определяет, какие длины волн света разрешены, а какие нет. Период структуры должен составлять половину длины волны пропускаемого света. Разрешенные длины волн известны как «моды», в то время как запрещенные длины волн представляют собой ширину запрещенной зоны фотонов. Опал не является истинным фотонным кристаллом, потому что в нем отсутствует полная запрещенная зона, но он достаточно близок к одному для целей данной статьи.

Другой естественный материал, который включает в себя фотонный кристалл, - это крылья некоторых бабочек, таких как род Morpho. Они рождают красивые синие радужные крылья.

Фотонные кристаллы были впервые изучены известным британским ученым лордом Роли в 1887 году. Предметом его исследований был синтетический одномерный фотонный кристалл, называемый зеркалом Брэгга. Хотя само зеркало Брэгга является двухмерной поверхностью, оно создает эффект запрещенной зоны только в одном измерении. Они были использованы для создания отражающих покрытий, где полоса отражения соответствует ширине запрещенной зоны фотона.

Спустя сто лет, в 1987 году, Эли Яблонович и Саджив Джон предположили возможность создания двух- или трехмерных фотонных кристаллов, которые могли бы создавать запрещенные зоны в нескольких разных направлениях одновременно. Быстро стало понятно, что такие материалы будут иметь множество применений в оптике и электронике, таких как светодиоды, оптоволокно, наноскопические лазеры, ультрабелые пигменты, радиоантенны и отражатели и даже оптические компьютеры. Исследования фотонных кристаллов продолжаются.

Одной из самых больших проблем в исследованиях фотонных кристаллов является крошечный размер и точность, необходимые для создания эффекта запрещенной зоны. Синтезирование кристаллов с периодическими наноструктурами довольно сложно с современными технологиями производства, такими как фотолитография. Трехмерные фотонные кристаллы были разработаны, но изготовлены только в чрезвычайно ограниченных масштабах. Возможно, с появлением восходящего производства или молекулярной нанотехнологии станет возможным массовое производство этих кристаллов.