Les cristaux photoniques, également connus sous le nom de matériaux à bande interdite photonique, sont des nanostructures périodiques qui peuvent sélectivement diriger les longueurs d’onde de la lumière de la même manière que les semi-conducteurs sur une puce informatique laissent sélectivement passer certaines bandes d’énergie électronique. Le terme « bandgap » fait simplement référence aux lacunes dans la bande spectrale de la lumière traversante. Un arc-en-ciel, par exemple, manque de bandes interdites, car l’eau est transparente et n’absorbe aucune fréquence spécifique. Un arc-en-ciel traversant un cristal photonique aurait des lacunes sélectives en fonction de la nanostructure particulière à l’intérieur du cristal.
Il existe quelques matériaux naturels qui se rapprochent de la structure d’un cristal photonique. L’un d’eux est l’opale de pierre précieuse. Son irisation semblable à un arc-en-ciel est causée par des nanostructures périodiques à l’intérieur. La périodicité de la nanostructure détermine quelles longueurs d’onde de lumière sont autorisées et lesquelles ne le sont pas. La période de la structure doit être la moitié de la longueur d’onde de la lumière qui est autorisée à traverser. Les longueurs d’onde de passage autorisées sont appelées modes alors que les longueurs d’onde interdites sont les bandes interdites photoniques. Une opale n’est pas un vrai cristal photonique car il lui manque une bande interdite complète, mais elle s’en rapproche suffisamment pour les besoins de cet article.
Un autre matériau naturel qui comprend un cristal photonique est les ailes de certains papillons tels que le genre Morpho. Celles-ci donnent naissance à de belles ailes bleues irisées.
Les cristaux photoniques ont été étudiés pour la première fois par le célèbre scientifique britannique Lord Raleigh en 1887. Un cristal photonique synthétique unidimensionnel appelé miroir de Bragg a fait l’objet de ses études. Bien que le miroir de Bragg lui-même soit une surface bidimensionnelle, il ne produit l’effet de bande interdite que dans une dimension. Ceux-ci ont été utilisés pour produire des revêtements réfléchissants où la bande de réflexion correspond à la bande interdite photonique.
Cent ans plus tard, en 1987, Eli Yablonovitch et Sajeev John ont suggéré la possibilité de cristaux photoniques à deux ou trois dimensions, qui produiraient des bandes interdites dans plusieurs directions différentes à la fois. On s’est vite rendu compte que de tels matériaux auraient de nombreuses applications en optique et en électronique, comme les LED, les fibres optiques, les lasers nanoscopiques, les pigments ultrablancs, les antennes et réflecteurs radio, et même les ordinateurs optiques. La recherche sur les cristaux photoniques est en cours.
L’un des plus grands défis de la recherche sur les cristaux photoniques est la petite taille et la précision requises pour produire l’effet de bande interdite. La synthèse de cristaux avec des nanostructures d’époque est assez difficile avec les technologies de fabrication actuelles telles que la photolithographie. Des cristaux photoniques 3D ont été conçus mais fabriqués uniquement à une échelle extrêmement limitée. Peut-être qu’avec l’avènement de la fabrication ascendante, ou de la nanotechnologie moléculaire, la production en série de ces cristaux deviendra possible.