Medžiagų nanodariniai, kuriuose tvarkingai yra išsidėsčiusios skylės, gali veikti šviesą taip, kaip elektronus veikia silicio kristalai. Apie fotoninius kristalus žurnale "Scientific American" pasakoja pats Eli Yablonovitch - žmogus, pasiūlęs šiuos naujus darinius ir pagaminęs pirmuosius jų bandinius.

   Sulaukiau dar vieno susierzinusio telefono skambučio. Dar viena teoretikų grupė manė esant reikalinga pranešti, kad manasis atradimas neveiks. Po pokalbio mano nuotaika buvo labai slogi. Aš sugaišau trejus ilgus metus bandydamas, atmesdamas įvairias konstrukcijas, stengdamasis pasiekti tai, ką aš maniau įmanoma padaryti, bet jei teoretikai yra teisūs, teks grįžti atgal į laboratoriją ir tęsti tyrimus. O gal tai, ką bandau sukurti - dirbtinę kristalinę struktūrą, kuri manipuliuotų šviesos pluošteliais taip, kaip silicis ir kiti puslaidininkiai valdo elektronus, išvis yra neįmanoma.

   Aišku, elektroniniai puslaidininkiai yra kompiuterių ir kitų prietaisų, kurie persmelkė pasaulinę ekonomiką, širdis. Šviesos puslaidininkiai galėtų sukelti revoliuciją informatikoje ir telekomunikacijose, nes jie leistų pagaminti tobulesnes optines skaidulas, miniatiūrinius lazerius ir fotoninius integrinius grandynus, kurie vieną gražią dieną pakeistų šiandienines mikroschemas.

   Išties, nepaisant sunkios pradžios devintojo dešimtmečio pabaigoje ir ją lydėjusio mokslinės bendruomenės skepticizmo, fotoninių kristalų tyrimai išliko. Visame pasaulyje daug mokslininkų (įskaitant ir mane patį) įkūrė kompanijas, kuriančias komercinius gaminius. Svarbiausia buvo įrodyti skeptikams, jog jie klydo sakydami, kad šviesos atveju neįmanoma pasiekti to paties reiškinio, kuris būdingas elektroniniams puslaidininkiams, - draustinių energijų juostos.

   Draustinių energijų juosta yra tas siauras energijų diapazonas, kurių elektronai negali užimti. Kai elektronai užpildo visas žemiau draustinės juostos esančias būsenas, elektros srovė netekės, kadangi nė vienam elektronui nebus kur judėti. Norint užmesti elektroną per draustinę juostą, yra reikalinga nemaža energija. Bet jei atsiranda keli papildomi elektronai, jie automatiškai atsiduria aukščiau draustinės juostos, kur jie nesunkiai gali judėti per gausybę laisvų būsenų. Kita vertus, kai elektronų trūksta, atsiranda žemiau draustinės juostos teigiamai įkrautos "skylės", kurios irgi leidžia tekėti srovei.

   Visa puslaidininkių magija - perjungimas ir loginės funkcijos - atsiranda valdant elektronų ir skylių, esančių aukščiau ir žemiau draustinės juostos, skaičių. Pats elektroninės draustinės juostos buvimas ir jos savybės labai priklauso nuo medžiagą sudarančių atomų tipo ir nuo jų kristalinės struktūros - jų sudaromos gardelės periodo ir formos. Keisdami tuos atomus kitais (vadinamais priemaišiniais atomais), inžinieriai gali nustatyti medžiagoje turimų elektronų ir skylių skaičių kartu kryptingai valdant jos savybes.

   Silicyje ir kituose puslaidininkiuose gretimi atomai vienas nuo kito būna nutolę maždaug per ketvirtį nanometro. Fotoninę draustinę juostą turinčios medžiagos yra panašios savo sandara, tik atstumai tarp jų yra didesni. Tipiškas pavyzdys - tai specialaus stiklo blokas, kuriame sugręžiota daugybė netoli viena kitos esančių cilindrinių skylių, kurių skersmuo yra apie 400 nm. Tos skylės yra analogiškos puslaidininkinį kristalą sudarantiems atomams. Apskritai paėmus, ne visada atstumas tarp skylių turi būti sulyginamas su šviesos, kurios savybes norima valdyti, bangos ilgiais. Matomosios šviesos bangos ilgiai yra maždaug nuo 400 nm iki 700 nm, o daugumos korinio ryšio telefonų vartojamos apie 35 cm ilgio bangos.

   Į skylėtą medžiagą patenkanti šviesa lūš ir dalinai atsispindės daugybėje vidinių ribų tarp stiklo ir oro. Sudėtingas persiklojančių atspindėtų pluoštelių raštas sustiprės arba nuslops priklausomai nuo šviesos bangos ilgio, jos sklidimo kristale krypties, stiklo lūžio rodiklio ir visų skylių dydžio bei jų padėties. Idealus tam tikro siauro bangos ilgių ruožo spinduliuotės nuslopinimas visomis kryptimis bus ekvivalentiškas draustinei elektronų energijų juostai puslaidininkyje: tą juostą atitinkanti šviesa negalės sklisti kristalu. Keičiant draustinės juostos darinį, pavyzdžiui, užpildant tam tikras skyles, galima sulaukti kitų efektų, panašių į tuos, kurie vyksta elektroninį puslaidininkį legiruojant. Dažnai fotoniniai kristalai gaminami iš elektroninių puslaidininkių medžiagų, todėl kristale vienu metu gali būti ir elektroninė, ir fotoninė draustinė juosta.

500 000 skylių

   Fotoninės draustinės juostos paieškos gana nepastebimai prasidėjo 1987 m. pasirodžius dviem pirmiesiems straipsniams: vienas iš jų buvo parašytas mano, o kitas Sajeev Johno iš Princetono universiteto. Abu mes galvojome apie labai skirtingus tikslus. Aš tuomet dirbau Bell Communications Research - New Jersey valstijoje ryšių technikos tyrimo konsorciume, todėl ieškojau būdų, kaip pagerinti telekomunikacinių lazerių našumą. Didelė lazeriu tekančios srovės dalis buvo sueikvojama savaiminei spinduliuotei sužadinti, o fotoninė draustinė juosta galėjo padėti tuos nuostolius sumažinti: atomai negali savaime spinduliuoti šviesos, jei jie priklauso medžiagai, kurioje tos bangos ilgio šviesos sklidimas yra uždraustas.

   Johnas, priešingai, sprendė daugiau fundamentinį uždavinį. Jis pasiūlė panaudoti fotoninę draustinę juostą kuriant tai, kas yra vadinama šviesos lokalizacija. Elektroninis šio reiškinio analogas, kvantinis reiškinys, vadinamas elektronų lokalizacija, pasireiškia netvarkingose medžiagose, pavyzdžiui, amorfiniuose puslaidininkiuose. Netvarka pagauna, arba lokalizuoja, elektronus tam tikrose vietose, šitaip trukdydama srovės tekėjimui.

   Johnas ir aš niekuomet nebuvome susitikę, bet kai sužinojome apie vienas kito idėjas, sutarėme kartu papietauti. Abu mes manėme, kad aptikome kažką svarbaus ir sutarėme vartoti tą patį terminą: "fotoninę draustinę juostą" ir "fotoninius kristalus". Grįžau į laboratoriją be galo pasitikintis savimi. Maniau, kad vos per kelis mėnesius sukursiu pirmąjį veikiantį modelį.

   Nors, kai sakome "fotoninis", turime galvoje šviesą, draustinės juostos principas taip pat gerai tinka bet kokio ilgio elektromagnetinėms bangoms. Todėl aš galėjau pasigaminti bet kokio dydžio bandomuosius kristalų darinius, o po to išbandyti juos atitinkamo ilgio elektromagnetinėmis bangomis. Tiesą sakant, savąsias fotoninės draustinės juostos medžiagų paieškas aš pradėjau mechaninėse dirbtuvėse, gręžiodamas dielektrinės medžiagos plokštėse įvairius darinius. Kristalo formą ir struktūrą teribojo tik žmogaus fantazija. Bet čia buvo viena problema. - Kuri iš visų nesuskaičiuojamų konstrukcijų leis gauti fotoninę draustinę juostą?

   Elektroniniuose puslaidininkių kristaluose draustinė juosta atsiranda dėl to, kad elektronai iš dalies veikia kaip bangos (bangos atsispindi nuo atomų sluoksnių arba grandinėlių). Dalis bangos yra atspindima ta kryptimi, iš kur ji atkeliavo, ir jei bangos ilgis būna maždaug toks pats kaip ir atstumas tarp atskirų sluoksnių, visos atspindėtosios bangos susilieja koherentiškai. Dėl to elektronų banga atgal atsispindi visa lyg nuo veidrodžio. Norint gauti visą draustinę juostą, šis atspindys turi vykti ne vieno bangos ilgio, o ištisos spektrinės srities, ir tai turi galioti bet kuriai bangų sklidimo kristale krypčiai.

   Aš žinojau, kad ieškant elektromagnetinių bangų draustinės juostos negalima paprasčiausiai nukopijuoti silicio kristalo. Šviesos atspindžiai priklauso nuo lūžio rodiklio pokyčių, todėl norint tiesiogiai atkartoti elektronų ir silicio atomų sąveiką, yra reikalinga medžiaga su nepaprastai dideliu lūžio rodikliu.

   Tą struktūrą taip pat buvo labai sunku numatyti teoriškai: draustinė juosta priklauso nuo to, kaip bangos sąveikauja su šimtų šimtais skylių (tai yra labai sudėtingas procesas). Teoretikai sukūrė kompiuterinius puslaidininkių skaičiavimo metodus, bet šių programų pritaikyti fotonams nebuvo galima. Pirmiausia, skiriasi sprendžiamos lygtys - Schroedingerio lygtis valdo elektronų judėjimą, o Maxwellio - šviesos elgseną. Antra, fotonų atveju negalima neįskaityti poliarizacijos, kas paprastai yra daroma su elektronais. Taigi aš neturėjau jokių galimybių atspėti, ar pasiūlytasis darinys turės fotoninę draustinę juostą, ar ne. Nieko kito neliko, ir labiau vedami fizikinės intuicijos nei skaičiavimų, aš ir mano bendradarbiai gaminome vieną darinį po kito, ieškodami to tikrojo. Per ketverius metus mano technikas Johnas Guralas išgręžė dielektrinėse plokštėse daugiau kaip 500 000 skylių, tiesa, tą jis darė kompiuterio valdomų staklių pagalba. Nesėkmė sekė nesėkmę, todėl visas šis užsiėmimas darėsi labai nervinantis.

Deimanto siurprizas

   Mes tikėjomės, jog elektromagnetinių bangų draustinėms juostoms ypač tiks paviršiuje centruota kubinė (fcc) gardelė. Jūs tokį darinį galite pasigaminti ant šachmatų lentos kiekvieno balto laukelio dėdami po juodą kubelį, o ant juodo laukelio - baltą. Antrame sluoksnyje toliau dėkite baltus kubelius ant juodų laukelių, juodus - ant baltų, ir t.t. Juodieji kubeliai sudarys fcc gardelę, o baltieji sudarys atskirą gardelę.

   Tačiau ir šioje struktūroje dar lieka begalė įvairiausių variantų, nes juodus kubus galima pakeisti kitos geometrinės formos figūromis, kas pakeistų šviesos bangų lūžį ir atspindį. Po dvejų metų mes pasiekėme kažką, kas lyg ir veikė: fcc darinį, kuriame vietoj kiekvieno juodojo kubo buvo sferiška tuštuma medžiagoje. Aš paskelbiau šį rezultatą, bet buvau neteisingai suprastas.

   Nuo šio momento teoretikai pradėjo mus vytis, o keli iš jų perdarė savo juostinės struktūros skaičiavimo programas, kad jos tiktų šviesai. Kelios teoretikų grupės, tarp jų K. Ming Leung vadovaujama grupė iš Politechnikos universiteto, ir Kai Ming Ho, iš Iowa State universiteto, buvo atsakingos už tuos nepakenčiamus telefono skambučius. Manoji fcc struktūra pasirodė teturinti tik pseudodraustinę juostą, t.y. draustinę juostą, turinčią nulinį plotį, reiškiantį, jog uždraustas yra tik vieno tikslaus bangos ilgio šviesos sklidimas. Po visų tų sunkaus darbo metų atrodė, jog gamta galbūt išvis neleidžia egzistuoti fotoninėms draustinėms juostoms. Galbūt joms yra reikalinga medžiaga tokio lūžio rodiklio, kokio neturi nė viena žinoma skaidri medžiaga.

   Bet po kelių savaičių Iowa State grupė aptiko, kad draustinė juosta egzistuoja deimanto struktūroje - tetraedrinės geometrijos kristaluose, primenančiuose garsiojo brangakmenio sandarą. Plačiausia juosta gaunama deimanto darinyje, kuriame esančių jungčių tarp anglies atomų kryptimis yra dielektriko strypeliai, o patys atomai yra suspausti į geometrinius taškus. Pats deimantas, kiek mums yra žinoma, nėra fotoninės draustinės juostos medžiaga. Kiek aukščiau šiame straipsnyje aš sakiau, kad pradėdami tyrimus mes žinojome, jog negalime paprasčiausiai nukopijuoti silicio gardelės ir tokiu būdu gauti fotoninę draustinę juostą. Kaip mes klydome: silicio kristalinė struktūra tiksliai atitinka deimantą.

   Atradimas, kad tetraedriniai dariniai geriausiai tinka fotoninėms draustinėms juostoms gauti, yra stebinantis ir prasmingas. Iki atsirandant fotoniniams kristalams, deimanto konfigūracija tebuvo viena iš daugelio mineralinių struktūrų, atsirandančių tinkamomis temperatūros ir slėgio sąlygomis dėl sudėtingos atomų ir jų cheminių jungčių sąveikos. Tai, kad ji tinka fotoninei draustinei juostai, atsirandančiai tiktai iš Maxwellio lygčių (elektrą, magnetizmą ir šviesą aprašančių dėsnių) ir vien iš jų, liudija, jog deimanto struktūra turi fundamentalią reikšmę ir elektromagnetizmui, ir visai trimatei erdvės geometrijai.

   Priklausomai nuo to, kokios konkrečios formos figūros yra talpinamos gardelės mazguose, ir nuo to, iš kurios pusės į kristalą pažiūrėsime, tetraedrinė deimanto struktūra gali turėti daug skirtingų išraiškų. Paveikslėlyje pavaizduoti du labai besiskiriantys fotoniniai kristalai, turintys deimanto struktūrą. Manoji grupė 1991 m., panaudodama deimanto struktūros variantą, sėkmingai pagamino pirmąjį fotoninį kristalą (šiuokart tikrą), dabar vadinamą jablonovitu. Gamta vis tik yra nuolanki: deimanto struktūroje draustinė juosta atsiranda tuomet, kai lūžio rodiklis būna vos 1,87. Yra daug optinių medžiagų, turinčių net 3,6 dydžio lūžio rodiklį.

   Deimanto struktūra yra ne vienintelė, kurioje egzistuoja fotoninė draustinė juosta. 1992 m. teoretikas Josephas W. Hausas, tuomet dirbęs Rensselaer Polytechnic Institute, pastebėjo, kad mes nurašėme fcc struktūras kiek per anksti. Mokslininkai ieškojo draustinių juostų fcc struktūrose tiktai bangos ilgiuose, kurių gardelės narvelyje telpa tik apie pusė bangos ilgio. Kaip jau matėme, tuo atveju atsiranda pseudodraustinė juosta tik vienam bangos ilgiui. Tačiau Hausas ištyrė didesnius dažnius, įrodančius, kad narvelyje telpa visas bangos ilgis ir kad fcc struktūrose gali egzistuoti fotoninės draustinės juostos. Negana to, jis aptiko, jog draustinė juosta, nors ir labai nedidelė, gali egzistuoti ir paprastoje kubinėje struktūroje, žinomoje kaip pastolių konfigūracija.

Drugeliai ir mikroschemos

   Dabar mes jau žinome, kad pati gamta sukūrė fotoninius kristalus žėrinčiame opalo brangakmenyje, spalvotuose drugelio sparnuose ir kirminą primenančio sutvėrimo, vadinamo jūros pele, šeriuose. Visais šiais atvejais egzistuoja fotoninės draustinės juostos darinys, nors visos draustinės juostos nėra ir šviesa kai kuriomis kryptimis vis tik gali sklisti. Gamtai sukurti visą draustinę juostą nepavyko gal todėl, kad tam yra reikalingas per didelis lūžio rodiklių kontrastas.

   Be to, labai naudingos gali būti ir nepilnos draustinės juostos. Pavyzdžiui, mažesnės kaip mikronas titano dioksido dalelės gali pačios susikaupti į opalo tipo darinį. Titano dioksidas - tai ryškiai baltas pigmentas, vartojamas dažams ir popieriaus balinimui. Kai bus sukurtas iš titano dioksido darinys su draustine juosta, koherentiška šviesos sklaida leis su mažesniu šios medžiagos kiekiu pasiekti daugiau baltumo. Vieną dieną fotoninius kristalus galėsime aptikti visur - nudažytose sienose ir stirtose popierių, susikaupusių ant mūsų stalų.

   Kita labai vertinga nepilnos fotoninės draustinės juostos forma yra dvimačiai fotoniniai kristalai, galintys neleisti šviesai sklisti plokštumoje. Tokį darinį galima ištęsti trečiąja kryptimi, šitaip sukuriant naujovišką optinę skaidulą. Tradicinės optinės skaidulos turi didelio lūžio rodiklio šerdį, kurioje šviesa yra suspaudžiama dėl visiško vidaus atspindžio. 1999 m. Philipas Russelas iš Batho universiteto Anglijoje parodė, kaip galima pagaminti fotoninę draustinę juostą turinčias skaidulas. Viena tokių skaidulų versija yra tokia: šviesa sklinda skaidulos viduryje esančia skyle ir yra suspaudžiama ten dėl skylę supančioje medžiagoje egzistuojančios dvimatės draustinės juostos. Tokia centrine tuštuma galima pasiųsti didesnę optinę galią nei stiklu; taip pat iki 100 kartų gali padidėti perduodami informacijos srautai. Specialios skaidulos yra pirmieji komercinės sėkmės susilaukę gaminiai iš fotoninę draustinę juostą turinčių medžiagų. Kompanijos iš Danijos ir Jungtinės Karalystės jau išleido bandomąsias partijas ir rengiasi didesnio masto gamybai.

   Dvimatę fotoninę juostą turintį darinį galima ne tik ištempti į skaidulą, bet ir sukurti plonasluoksnį dvimačio fotoninio kristalo darinį, kokį 1997 m. pirmieji suskaičiavo Massachusetso technologijos institute dirbę Shahui Fan ir Johnas Joannopoulos. Plonasluoksnius fotoninius kristalus galima nesunkiai standartinės fotolitografijos technologijos būdu padaryti bet kurios pageidaujamos formos. Draustinės juostos darinyje sukūrus papildomų defektų, panašiai kaip legiruojant elektroninį puslaidininkį priemaišomis, atsiveria galimybės realizuoti gausybę naujų funkcijų. Defekto pavyzdys yra centrinė skaidulos iš fotoninio kristalo skylė. Panašiai sukuriant vieną skylę plonasluoksniame kristale, galima gauti svarbiausią lazerio komponentą - mažą "rezonatorių", galintį palaikyti vietinę elektromagnetinio lauko modą. Neseniai Axelio Schererio grupė iš Caltecho tokius miniatiūrinius rezonatorius panaudojo kurdama vos 0,03 kubinio mikrono tūrį užimančius lazerius.

   Jeigu pavyktų iš plonasluoksnių fotoninių kristalų pagaminti optinius grandynus, tai būtų pasiekta optoelektronikos miniatiūrizavimo riba. Nemažai mokslininkų tiki, jog integriniai grandynai, kuriuose yra sujungta tradicinė elektronika ir fotonika, galėtų perkelti mikroelektronikos revoliuciją ir į didelės dažnių juostos optinius signalus. Ši tyrimų sritis per artimiausius keletą metų tikriausiai susilauks daugiausiai dėmesio, bet komercinių gaminių dar teks palaukti dvejus trejus metus.

   Kadangi fotoninių kristalų matmenys bus labai dideli, nereikia tikėtis, kad jie labai pravers radijo bangų ruože. Pavyzdžiui, korinio ryšio telefonuose yra vartojamos radijo bangos, kurių ilgis ore yra apie 35 cm. Kristalą, turintį daug tokio dydžio skylių ar strypelių, vargu ar bus galima pavadinti nešiojamuoju. Čia mus gelbsti tradiciniai LC grandynai, sudaryti iš kondensatoriaus ir indukcinės ritės. Toks grandynas iš principo suspaudžia elektromagnetinę bangą į mažą tūrį. LC grandynų matrica galės veikti kaip fotoninis kristalas ir valdyti elektromagnetines bangas, kurių ilgis laisvoje erdvėje bus daug didesnis už pačią matricą.

Priešingai sklindanti šviesa

   Sheldonas Schultzas ir Davidas Smithas iš Kalifornijos universiteto San Diege iš LC grandynų matricų pagamino "kairiarankes" medžiagas, kurių lūžio rodiklis mikrobangų ruože yra neigiamas. Tose medžiagose elektromagnetinės bangos sklinda priešingai: kai bangos ketera juda iš kairės į dešinę, bangos energija, iš tiesų keliauja iš dešinės į kairę!

   Johnas Pendry iš Imperial College Anglijoje panaudojo LC elektromagnetinės draustinės juostos matricas kaitaliodamas radijo dažnių magnetinius laukus, vartojamus medicininiuose tomografuose. Pramonės, kariškių ir universitetų atstovai kartu tiria, kaip LC rezonatorių matricas būtų galima panaudoti valdant radijo bangas. Tikimasi, kad taip bus galima pagerinti GPS antenų tikslumą (dėl signalo atspindžių nuo žemės slopinimo) arba sumažinti mobiliojo telefono skleidžiamų bangų, patenkančių į vartotojo galvą, intensyvumą.

   Ir dar, atrodo, kad panašią LC grandynų koncepciją galima pratęsti ir į optinių bangos ilgių diapazoną, tokiuose prietaisuose naudojant plazmonus - metalo paviršiuje virpančias optinio dažnio sroves. Tokie už optinius bangos ilgius mažesni LC grandynai, matyt, ir bus fotoninių kristalų miniatiūrizavimo riba.