Hvad er en fotonisk krystal?

Fotoniske krystaller, også kendt som fotoniske båndgapmaterialer, er periodiske nanostrukturer, der selektivt kan dirigere bølgelængder af lys på omtrent samme måde som halvledere på en computerchip, der selektivt slipper gennem visse elektroniske energibånd.Udtrykket "bandgap" henviser blot til huller i det spektrale lysbånd, der skinner igennem.En regnbue mangler for eksempel båndhuller, fordi vand er gennemsigtig og ikke absorberer nogen specifik frekvens.En regnbue, der går gennem en fotonisk krystal, ville have selektive huller afhængigt af den bestemte nanostruktur i krystallen.

Der er et par naturlige materialer, der tilnærmer strukturen af en fotonisk krystal.En af dem er Gemstone Opal.Dens regnbue-lignende iridescens er forårsaget af periodiske nanostrukturer inden for.Periodiciteten af nanostrukturen bestemmer, hvilke bølgelængder af lys der er tilladt gennem, og hvilke der ikke er.Strukturens periode skal være halvdelen af bølgelængden af det lys, der er tilladt igennem.Bølgelængderne tilladt passage er kendt som "tilstande", mens de forbudte bølgelængder er de fotoniske båndhuller.En opal er ikke en ægte fotonisk krystal, fordi den mangler et komplet båndgap, men det tilnærmer sig en tæt nok til formålet med denne artikel.

Et andet naturligt forekommende materiale, der inkluderer en fotonisk krystal er vingerne i nogle sommerfugle, såsom slægtenMorpho.Disse giver anledning til smukke blå iriserende vinger.

Fotoniske krystaller blev først undersøgt af den berømte britiske videnskabsmand Lord Raleigh i 1887. En syntetisk en-dimensionel fotonisk krystal kaldet et Bragg-spejl var genstand for hans studier.Selvom selve Bragg -spejlet er en todimensionel overflade, producerer det kun båndgap -effekten i en dimension.Disse er blevet brugt til at producere reflekterende belægninger, hvor reflektionsbåndet svarer til det fotoniske båndgap.

Hundrede år senere, i 1987, foreslog Eli Yablonovitch og Sajeev John muligheden for to- eller tredimensionelle fotoniske krystaller, som ville producere båndhuller i flere forskellige retninger på én gang.Det blev hurtigt klar over, at sådanne materialer ville have adskillige anvendelser inden for optik og elektronik, såsom LED'er, optisk fiber, nanoskopiske lasere, ultrawhite pigment, radioantenner og reflektorer og endda optiske computere.Forskning i fotoniske krystaller pågår.

En af de største udfordringer inden for fotonisk krystalundersøgelse er den lille størrelse og præcision, der kræves for at producere båndafstanden.Syntese af krystaller med periode nanostrukturer er ret vanskeligt med nutidige fremstillingsteknologier såsom fotolitografi.3D-fotoniske krystaller er designet, men kun fremstillet i ekstremt begrænset skala.Måske med fremkomsten af bottom-up-fremstilling eller molekylær nanoteknologi, vil masseproduktionen af disse krystaller blive mulig.