Vad är en Photonic Crystal?
Fotoniska kristaller, även kända som fotoniska bandgapmaterial, är periodiska nanostrukturer som selektivt kan rikta våglängder för ljus på ungefär samma sätt som halvledare på ett datorchip som selektivt släpps genom vissa elektroniska energiband. Termen "bandgap" avser bara luckor i det spektrala bandet av ljus som skiner igenom. En regnbåge, till exempel, saknar bandgap, eftersom vatten är transparent och inte absorberar någon specifik frekvens. En regnbåge som går igenom en fotonisk kristall skulle ha selektiva luckor beroende på den speciella nanostrukturen i kristallen.
Det finns ett par naturliga material som närmar sig strukturen för en fotonisk kristall. En av dem är ädelsten-opalen. Dess regnbågsliknande iridescens orsakas av periodiska nanostrukturer inom. Periodiciteten hos nanostrukturen avgör vilka våglängder för ljus som är tillåtna genom och vilka inte. Strukturen måste vara halva våglängden för det ljus som tillåts. De tillåtna passagen på våglängderna kallas ”lägen” medan de förbjudna våglängderna är de fotoniska bandgaparna. En opal är inte en sann fotonisk kristall eftersom den saknar ett fullständigt bandgap, men det approximerar en noggrant för syftena med denna artikel.
Ett annat naturligt förekommande material som inkluderar en fotonisk kristall är vingarna av vissa fjärilar som släkten Morpho. Dessa ger upphov till vackra blå iriserande vingar.
Fotoniska kristaller studerades först av den berömda brittiska forskaren Lord Raleigh 1887. En syntetisk endimensionell fotonisk kristall som kallas en Bragg-spegel var ämnet för hans studier. Även om själva Bragg-spegeln är en tvådimensionell yta, ger den bara bandgapeffekten i en dimension. Dessa har använts för att producera reflekterande beläggningar där reflektionsbandet motsvarar det fotoniska bandgapet.
Hundra år senare, 1987, föreslog Eli Yablonovitch och Sajeev John möjligheten till två- eller tredimensionella fotoniska kristaller, som skulle producera bandgap i flera olika riktningar på en gång. Man förstod snabbt att sådana material skulle ha många tillämpningar inom optik och elektronik, såsom lysdioder, optisk fiber, nanoskopiska lasrar, ultravitpigment, radioantenner och reflektorer och till och med optiska datorer. Forskning om fotoniska kristaller pågår.
En av de största utmaningarna inom fotonisk kristallforskning är den lilla storlek och precision som krävs för att producera bandgapeffekten. Syntetisering av kristaller med periodiska nanostrukturer är ganska svårt med dagens tillverkningstekniker som fotolitografi. 3D-fotoniska kristaller har utformats men endast tillverkats i extremt begränsad skala. Kanske med tillkomsten av bottom-up-tillverkning, eller molekylär nanoteknologi, kommer massproduktionen av dessa kristaller att bli möjlig.