Kas ir fotoniskais kristāls?

Ir daži dabiski materiāli, kas aptuveni atbilst fotoniskā kristāla struktūrai. Viens no tiem ir dārgakmens opāls. Tās varavīksnei līdzīgo zaigošanu izraisa periodiskas nanostruktūras. Nanostruktūras periodiskums nosaka, kādi gaismas viļņu garumi ir atļauti un kuri nav. Struktūras periodam jābūt pusei no caurlaides gaismas viļņa garuma. Atļautie viļņu garumi ir pazīstami kā “režīmi”, savukārt aizliegtie viļņu garumi ir fotoniskās joslas spraugas. Opāls nav īsts fotoniskais kristāls, jo tam trūkst pilnīgas joslas spraugas, taču tas ir pietiekami tuvināts šī raksta vajadzībām.

Vēl viens dabā sastopams materiāls, kas ietver fotonisku kristālu, ir dažu tauriņu, piemēram, Morpho ģints, spārni. No tiem veidojas skaisti zili zaigojoši spārni.

Pirmo reizi fotoniskos kristālus pētīja slavenais britu zinātnieks Lords Rolijs 1887. gadā. Viņa pētījumu priekšmets bija sintētisks viendimensionāls fotoniskais kristāls, ko sauc par Brega spoguli. Lai gan pats Bragg spogulis ir divdimensiju virsma, tas rada joslas spraugas efektu tikai vienā dimensijā. Tie ir izmantoti, lai ražotu atstarojošus pārklājumus, kur atstarošanas josla atbilst fotoniskās joslas spraugai.

Simts gadus vēlāk, 1987. gadā, Eli Yablonovitch un Sajeev John ierosināja divu vai trīsdimensiju fotonisko kristālu iespēju, kas radītu joslu spraugas vairākos dažādos virzienos vienlaikus. Ātri tika saprasts, ka šādiem materiāliem būs daudz pielietojumu optikā un elektronikā, piemēram, gaismas diodes, optiskā šķiedra, nanoskopiskie lāzeri, īpaši balts pigments, radio antenas un atstarotāji un pat optiskie datori. Fotonisko kristālu izpēte turpinās.

Viens no lielākajiem izaicinājumiem fotonisko kristālu izpētē ir nelielais izmērs un precizitāte, kas nepieciešama, lai radītu joslas spraugas efektu. Ar mūsdienu ražošanas tehnoloģijām, piemēram, fotolitogrāfiju, ir diezgan grūti sintezēt kristālus ar laikmeta nanostruktūrām. Trīsdimensiju fotoniskie kristāli ir izstrādāti, bet izgatavoti tikai ļoti ierobežotā mērogā. Iespējams, līdz ar augšupējas ražošanas jeb molekulārās nanotehnoloģijas parādīšanos būs iespējama šo kristālu masveida ražošana.