Cos'è un cristallo fotonico?

I cristalli fotonici, noti anche come materiali fotonici di gap di banda, sono nanostrutture periodiche che possono dirigere selettivamente le lunghezze d'onda della luce più o meno allo stesso modo dei semiconduttori su un chip per computer, lasciano passare selettivamente alcune bande di energia elettronica.Il termine "gap band" si riferisce semplicemente alle lacune nella banda spettrale di luce che brilla.Un arcobaleno, ad esempio, manca di lacune di banda, perché l'acqua è trasparente e non assorbe alcuna frequenza specifica.Un arcobaleno che attraversa un cristallo fotonico avrebbe lacune selettive a seconda della particolare nanostruttura all'interno del cristallo.

Ci sono un paio di materiali naturali che si avvicinano alla struttura di un cristallo fotonico.Uno di questi è l'opale di pietra pregiata.La sua iridescenza simile a un arcobaleno è causata da nanostrutture periodiche all'interno.La periodicità della nanostruttura determina quali lunghezze d'onda della luce sono consentite attraverso e quali non lo sono.Il periodo della struttura deve essere la metà della lunghezza d'onda della luce consentita attraverso.Le lunghezze d'onda consentite il passaggio sono note come "modalità" mentre le lunghezze d'onda proibite sono le lacune della banda fotonica.Un opale non è un vero cristallo fotonico perché manca di un gap di banda completo, ma si avvicina di uno abbastanza da vicino ai fini di questo articolo.

Un altro materiale che si verifica naturalmente che include un cristallo fotonico sono le ali di alcune farfalle come il genereMorpho.Questi danno origine a bellissime ali iridescenti blu.

I cristalli fotonici furono studiati per la prima volta dal famoso scienziato britannico Lord Raleigh nel 1887. Un cristallo fotonico unidimensionale sintetico chiamato Bragg Mirror era oggetto dei suoi studi.Sebbene lo specchio Bragg stesso sia una superficie bidimensionale, produce solo l'effetto di gap di banda in una dimensione.Questi sono stati usati per produrre rivestimenti riflettenti in cui la banda di riflessione corrisponde al gap della banda fotonica.

Cento anni dopo, nel 1987, Eli Yablonovitch e Sajeev John hanno suggerito la possibilità di cristalli fotonici bidimensionali o tridimensionali, che avrebbero prodotto lacune di banda in diverse direzioni contemporaneamente.Si è rapidamente reso conto che tali materiali avrebbero numerose applicazioni in ottica e elettronica, come LED, fibre ottiche, laser nanoscopici, pigmento Ultrawhite, antenne radio e riflettori e persino computer ottici.La ricerca sui cristalli fotonici è in corso.

Una delle maggiori sfide nella ricerca di cristalli fotonici è la dimensione e la precisione necessarie per produrre l'effetto di gap di banda.La sintetizzazione dei cristalli con nanostrutture d'epoca è piuttosto difficile con le tecnologie di produzione odierne come la fotolitografia.I cristalli fotonici 3-D sono stati progettati ma fabbricati solo su scala estremamente limitata.Forse con l'avvento della produzione bottom-up, o nanotecnologia molecolare, la produzione di massa di questi cristalli diventerà possibile.