Photonische Kristalle, auch bekannt als photonische Bandlückenmaterialien, sind periodische Nanostrukturen, die Lichtwellenlängen selektiv lenken können, ähnlich wie Halbleiter auf einem Computerchip selektiv bestimmte elektronische Energiebänder durchlassen. Der Begriff „Bandlücke“ bezieht sich lediglich auf Lücken im Spektralband des durchscheinenden Lichts. Ein Regenbogen beispielsweise hat keine Bandlücken, weil Wasser transparent ist und keine bestimmte Frequenz absorbiert. Ein durch einen photonischen Kristall gehender Regenbogen würde abhängig von der jeweiligen Nanostruktur innerhalb des Kristalls selektive Lücken aufweisen.
Es gibt eine Reihe von natürlichen Materialien, die der Struktur eines photonischen Kristalls nahe kommen. Einer von ihnen ist der Edelstein Opal. Sein regenbogenähnliches Schillern wird durch periodische Nanostrukturen im Inneren verursacht. Die Periodizität der Nanostruktur bestimmt, welche Wellenlängen des Lichts durchgelassen werden und welche nicht. Die Periode der Struktur muss die halbe Wellenlänge des durchgelassenen Lichts betragen. Die erlaubten Wellenlängen werden als „Moden“ bezeichnet, während die verbotenen Wellenlängen die photonischen Bandlücken sind. Ein Opal ist kein echter photonischer Kristall, da ihm eine vollständige Bandlücke fehlt, aber für die Zwecke dieses Artikels nähert er sich einer eng genug an.
Ein weiteres natürlich vorkommendes Material, das einen photonischen Kristall enthält, sind die Flügel einiger Schmetterlinge wie der Gattung Morpho. Daraus entstehen wunderschöne blau schillernde Flügel.
Photonische Kristalle wurden erstmals 1887 von dem berühmten britischen Wissenschaftler Lord Raleigh untersucht. Ein synthetischer eindimensionaler photonischer Kristall namens Bragg-Spiegel war Gegenstand seiner Studien. Obwohl der Bragg-Spiegel selbst eine zweidimensionale Oberfläche ist, erzeugt er nur den Bandlückeneffekt in einer Dimension. Diese wurden verwendet, um reflektierende Beschichtungen herzustellen, bei denen das Reflexionsband der photonischen Bandlücke entspricht.
Hundert Jahre später, 1987, schlugen Eli Yablonovitch und Sajeev John die Möglichkeit zwei- oder dreidimensionaler photonischer Kristalle vor, die gleichzeitig Bandlücken in mehreren verschiedenen Richtungen erzeugen würden. Es wurde schnell erkannt, dass solche Materialien zahlreiche Anwendungen in der Optik und Elektronik haben würden, wie beispielsweise LEDs, Glasfasern, nanoskopische Laser, ultraweiße Pigmente, Funkantennen und -reflektoren und sogar optische Computer. Die Forschung an photonischen Kristallen ist im Gange.
Eine der größten Herausforderungen in der photonischen Kristallforschung ist die geringe Größe und Präzision, die erforderlich sind, um den Bandlückeneffekt zu erzeugen. Die Synthese von Kristallen mit periodischen Nanostrukturen ist mit heutigen Herstellungstechnologien wie der Photolithographie ziemlich schwierig. Photonische 3-D-Kristalle wurden entworfen, aber nur in einem äußerst begrenzten Maßstab hergestellt. Vielleicht wird mit dem Aufkommen der Bottom-up-Fertigung oder der molekularen Nanotechnologie die Massenproduktion dieser Kristalle möglich.