I cristalli fotonici, noti anche come materiali bandgap fotonici, sono nanostrutture periodiche che possono dirigere selettivamente le lunghezze d’onda della luce più o meno allo stesso modo dei semiconduttori su un chip di computer che lasciano passare selettivamente determinate bande di energia elettronica. Il termine “bandgap” si riferisce semplicemente alle lacune nella banda spettrale di luce che traspare. Un arcobaleno, ad esempio, è privo di band gap, perché l’acqua è trasparente e non assorbe alcuna frequenza specifica. Un arcobaleno che attraversa un cristallo fotonico avrebbe spazi selettivi a seconda della particolare nanostruttura all’interno del cristallo.
Ci sono un paio di materiali naturali che approssimano la struttura di un cristallo fotonico. Uno di questi è l’opale gemma. La sua iridescenza arcobaleno è causata da nanostrutture periodiche all’interno. La periodicità della nanostruttura determina quali lunghezze d’onda della luce sono consentite e quali no. Il periodo della struttura deve essere la metà della lunghezza d’onda della luce che viene lasciata passare. Le lunghezze d’onda permesse al passaggio sono conosciute come “modi” mentre le lunghezze d’onda proibite sono le bande fotoniche. Un opale non è un vero cristallo fotonico perché manca di una banda proibita completa, ma si avvicina abbastanza a uno per gli scopi di questo articolo.
Un altro materiale naturale che include un cristallo fotonico sono le ali di alcune farfalle come il genere Morpho. Questi danno origine a bellissime ali blu iridescenti.
I cristalli fotonici furono studiati per la prima volta dal famoso scienziato britannico Lord Raleigh nel 1887. Un cristallo fotonico unidimensionale sintetico chiamato specchio di Bragg era l’oggetto dei suoi studi. Sebbene lo specchio di Bragg stesso sia una superficie bidimensionale, produce solo l’effetto band gap in una dimensione. Questi sono stati usati per produrre rivestimenti riflettenti in cui la banda di riflessione corrisponde al gap di banda fotonico.
Cento anni dopo, nel 1987, Eli Yablonovitch e Sajeev John suggerirono la possibilità di cristalli fotonici bi o tridimensionali, che avrebbero prodotto band gap in diverse direzioni contemporaneamente. Si è subito capito che tali materiali avrebbero avuto numerose applicazioni in ottica ed elettronica, come LED, fibra ottica, laser nanoscopici, pigmenti ultrabianchi, antenne e riflettori radio e persino computer ottici. La ricerca sui cristalli fotonici è in corso.
Una delle maggiori sfide nella ricerca sui cristalli fotonici è la dimensione ridotta e la precisione necessarie per produrre l’effetto band gap. La sintesi di cristalli con nanostrutture d’epoca è piuttosto difficile con le attuali tecnologie di produzione come la fotolitografia. I cristalli fotonici 3D sono stati progettati ma fabbricati solo su scala estremamente limitata. Forse con l’avvento della produzione dal basso verso l’alto, o la nanotecnologia molecolare, diventerà possibile la produzione di massa di questi cristalli.