Τι είναι ένα φωτονικό κρύσταλλο;

Οι φωτονικοί κρύσταλλοι, επίσης γνωστοί ως υλικά φωτονικών bandgap, είναι περιοδικές νανοδομές που μπορούν να κατευθύνουν επιλεκτικά μήκη κύματος φωτός με τον ίδιο τρόπο όπως οι ημιαγωγοί σε ένα τσιπ υπολογιστών επιλεκτικά να αφήνουν μέσα από ορισμένες ηλεκτρονικές ενεργειακές ζώνες.Ο όρος "bandgap" αναφέρεται απλώς στα κενά στη φασματική ζώνη του φωτός που λάμπει.Ένα ουράνιο τόξο, για παράδειγμα, στερείται κενών ζώνης, επειδή το νερό είναι διαφανές και δεν απορροφά καμία συγκεκριμένη συχνότητα.Ένα ουράνιο τόξο που διέρχεται από ένα φωτονικό κρύσταλλο θα είχε επιλεκτικά κενά ανάλογα με τη συγκεκριμένη νανοδομή μέσα στον κρύσταλλο.

Υπάρχουν μερικά φυσικά υλικά που προσεγγίζουν τη δομή ενός φωτονικού κρυστάλλου.Ένας από αυτούς είναι το Opal Gemstone.Το ιριδισμό του που μοιάζει με ουράνιο τόξο προκαλείται από περιοδικές νανοδομές εντός.Η περιοδικότητα της νανοδομής καθορίζει ποια μήκη κύματος του φωτός επιτρέπονται μέσω και ποια δεν είναι.Η περίοδος της δομής πρέπει να είναι το ήμισυ του μήκους κύματος του φωτός που επιτρέπεται.Τα επιτρεπόμενα μήκη κύματος είναι γνωστά ως "τρόποι", ενώ τα απαγορευμένα μήκη κύματος είναι τα κενά της φωτονικής ζώνης.Ένα OPAL δεν είναι ένα πραγματικό φωτονικό κρύσταλλο επειδή δεν διαθέτει πλήρες χάσμα ζώνης, αλλά προσεγγίζει ένα αρκετά στενά για τους σκοπούς αυτού του άρθρου.Morpho.Αυτά δημιουργούν όμορφα μπλε ιριδίζοντα φτερά.Οι φωτονικοί κρύσταλλοι μελετήθηκαν για πρώτη φορά από τον διάσημο βρετανό επιστήμονα Λόρδο Raleigh το 1887. Ένα συνθετικό μονοδιάστατο φωτονικό κρύσταλλο που ονομάζεται BRAGG Mirror ήταν το αντικείμενο των σπουδών του.Αν και ο ίδιος ο καθρέφτης Bragg είναι μια δισδιάστατη επιφάνεια, παράγει μόνο το φαινόμενο του χάσματος της ζώνης σε μία διάσταση.Αυτά έχουν χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή αντανακλαστικών επικαλύψεων όπου η ζώνη αντανάκλασης αντιστοιχεί στο κενό της φωτονικής ζώνης.

Εκατό χρόνια αργότερα, το 1987, ο Eli Yablonovitch και ο Sajeev John πρότειναν τη δυνατότητα δύο ή τρισδιάστατων φωτονικών κρυστάλλων, οι οποίοι θα παράγουν τα κενά της ζώνης σε διάφορες κατευθύνσεις ταυτόχρονα.Συνειδητοποιήθηκε γρήγορα ότι τέτοια υλικά θα έχουν πολυάριθμες εφαρμογές σε οπτικά και ηλεκτρονικά, όπως LEDs, οπτικές ίνες, νανοσκοπικά λέιζερ, ultrawhite χρωστικές ουσίες, ραδιοφωνικές κεραίες και ανακλαστήρες και ακόμη και οπτικούς υπολογιστές.Η έρευνα για τους φωτονικούς κρυστάλλους βρίσκεται σε εξέλιξη.

Μία από τις μεγαλύτερες προκλήσεις της φωτονικής κρυστάλλων είναι το μικροσκοπικό μέγεθος και η ακρίβεια που απαιτείται για την παραγωγή του αποτελέσματος του χάσματος της ζώνης.Η σύνθεση κρυστάλλων με νανοδομές περιόδου είναι αρκετά δύσκολη με τις σημερινές τεχνολογίες παραγωγής όπως η φωτοθεογραφία.Οι φωτονικοί κρυστάλλοι 3-D έχουν σχεδιαστεί αλλά κατασκευάζονται μόνο σε εξαιρετικά περιορισμένη κλίμακα.Ίσως με την έλευση της κατασκευής από τη βάση προς τα πάνω ή τη μοριακή νανοτεχνολογία, θα γίνει δυνατή η μαζική παραγωγή αυτών των κρυστάλλων.