Fotoniska kristaller, även kända som fotoniska bandgap-material, är periodiska nanostrukturer som selektivt kan rikta ljusvåglängder på ungefär samma sätt som halvledare på ett datorchip selektivt släpper igenom vissa elektroniska energiband. Termen ”bandgap” syftar bara på luckor i spektralbandet av ljus som lyser igenom. En regnbåge, till exempel, saknar bandgap, eftersom vatten är genomskinligt och inte absorberar någon specifik frekvens. En regnbåge som går genom en fotonisk kristall skulle ha selektiva luckor beroende på den speciella nanostrukturen i kristallen.
Det finns ett par naturliga material som approximerar strukturen hos en fotonisk kristall. En av dem är ädelstenen opal. Dess regnbågsliknande regnbågsskimrande orsakas av periodiska nanostrukturer inuti. Nanostrukturens periodicitet avgör vilka våglängder av ljus som släpps igenom och vilka som inte gör det. Strukturens period måste vara halva våglängden av ljuset som släpps igenom. De våglängder som tillåts passage är kända som ”lägen” medan de förbjudna våglängderna är fotoniska bandgap. En opal är inte en sann fotonisk kristall eftersom den saknar ett fullständigt bandgap, men den närmar sig en tillräckligt nära för syftet med denna artikel.
Ett annat naturligt förekommande material som inkluderar en fotonisk kristall är vingarna på vissa fjärilar som släktet Morpho. Dessa ger upphov till vackra blå iriserande vingar.
Fotoniska kristaller studerades första gången av den berömda brittiske vetenskapsmannen Lord Raleigh 1887. En syntetisk endimensionell fotonisk kristall kallad en Bragg-spegel var föremål för hans studier. Även om själva Bragg-spegeln är en tvådimensionell yta, producerar den bara bandgapeffekten i en dimension. Dessa har använts för att producera reflekterande beläggningar där reflektionsbandet motsvarar det fotoniska bandgapet.
Hundra år senare, 1987, föreslog Eli Yablonovitch och Sajeev John möjligheten av två- eller tredimensionella fotoniska kristaller, som skulle producera bandgap i flera olika riktningar samtidigt. Man insåg snabbt att sådana material skulle ha många tillämpningar inom optik och elektronik, såsom lysdioder, optisk fiber, nanoskopiska lasrar, ultravitt pigment, radioantenner och reflektorer och till och med optiska datorer. Forskning om fotoniska kristaller pågår.
En av de största utmaningarna inom fotonisk kristallforskning är den lilla storleken och precisionen som krävs för att producera bandgapeffekten. Att syntetisera kristaller med tidstypiska nanostrukturer är ganska svårt med dagens tillverkningsteknologier som fotolitografi. 3-D fotoniska kristaller har designats men endast tillverkats i extremt begränsad skala. Kanske med tillkomsten av bottom-up-tillverkning, eller molekylär nanoteknik, kommer massproduktion av dessa kristaller att bli möjlig.