Fotonisch kristal

Een fotonisch kristal is een materiaal met een heel regelmatig patroon van structuurtjes, bijvoorbeeld rijen piepkleine gaatjes in een plaatje silicium. Die structuurtjes zijn zo klein, ongeveer zo groot als de golflengte van licht, dat ze bepalen hoe licht zich in het materiaal gedraagt. Je kunt het zien als een soort verkeersregeling voor licht.

Hoe werkt het?

Waar licht van silicium naar lucht gaat, kaatst een klein beetje terug, zoals je in een etalageruit je eigen spiegelbeeld ziet. Eén gaatje doet weinig. Staan de gaatjes steeds precies even ver uit elkaar, dan kaatsen ze hun beetje licht allemaal in hetzelfde ritme terug en tellen de terugkaatsingen op. Het afstandje tussen de gaatjes bepaalt zo welke kleuren licht er wel en niet doorheen kunnen, en hoe snel ze vooruitkomen.

Een bekend voorbeeld uit de natuur is de glinstering van sommige vlindervleugels en opaal: die kleur komt niet van verf, maar van zo'n regelmatig patroon.

Waarom het ertoe doet

In chips voor glasvezelverbindingen gebruikt men fotonische kristallen om licht af te remmen. Japanse onderzoekers bouwden zo een onderdeel dat elektrische signalen omzet in licht. Het heeft een patroon van piepkleine gaatjes waarin het licht trager gaat, is 0,3 millimeter lang, werkt op lage spanning en verstuurt tot 200 gigabit per seconde (link). Het licht komt in het kristal vijf tot vijftien keer trager vooruit, dus een korte schakelaar heeft genoeg aan weinig spanning. De volgende stap is minder licht verliezen onderweg. Dat is nuttig in datacenters waar AI-chips voortdurend gegevens uitwisselen: kleinere en zuinigere onderdelen betekenen meer lichtverbindingen op één chip.