انعکاس‌های فوتونی ممنوع

بلورهای فوتونی مواد جدیدی هستند كه سال گذشته برای نخستین بار وارد میدان شدند. رفتار فوتون‌ها در این مواد مانند رفتار الكترون‌ها در نیمرساناهاست. اخیراً متخصصان به نخستین كاربرد این بلورهای فوتونی دست یافته‌اند. این بلورها فركانس‌هایی در گستره‌ای كه برای فوتون‌ها ممنوع است دارند، و در نتیجه به صورت بازتابنده‌های كامل فوتون در آن فركانس‌ها عمل می‌كنند. اخیراً محققان آمریكایی از یك بلور فوتونی به عنوان بازتابنده‌ای برای آنتن‌های میكروموج بسیار كوچك استفاده كرده‌اند. انتظار می‌رود روزی بتوان این آنتن را همراه با الكترونیك كنترل، روی تراشه‌ای ساخت.
وقتی از تجمع اتم‌ها بلوری نیمرسانا به وجود می‌آید، ترازهای انرژی الكترونی در هم ادغام می‌شوند و نوارهای انرژی را تشكیل می‌دهند. نوار كم انرژی ظرفیت شامل الكترون‌هایی است كه بستگی بلور را سبب می‌شود. این نوار توسط یك گاف از نوار رسانش جدا می‌شود. در نوار رسانش الكترون‌های آزاد الكتریسیته را هدایت می‌كنند. بلورهای فوتونی شبیه بلورهای نیمرسانا هستند. فوتون‌ها تنها وقتی می‌توانند عبور كنند كه فركانسشان در نوارهای فركانسی معینی باشد. اگر فركانس آن‌ها بین نوارها قرار بگیرد، نمی‌توانند داخل شوند و باز می‌تابند. یعنی بلور مانند صافی عمل می‌كند و مانع ورود آن فركانس‌ها می‌شود. سال گذشته، گروهی به سرپرستی الی یابلونویچ در آزمایشگاه بلكور (بازوی تحقیقاتی شركت‌های تلفن منطقه‌ای نیوجرسی در ردبنك) اولین بلور فوتونی را، با ایجاد حفره‌هایی در ماده‌ای كه نسبت به میكروموج شفاف است، ساختند این حفره‌ها در نقش منظمی با زوایای معین ایجاد شدند، تا آرایه‌ای سه بعدی از فضای خالی به وجود بیاورند. این حفره‌ها، مانند اتم‌های بلور نیمرسانا عمل می‌كنند: فوتون‌هایی كه از آن‌ها عبور می‌كنند یا در فضاهای خالی كم انرژی مستقر می‌شوند، یا در نواحی پر انرژی ماده بین آن‌ها. به این ترتیب نوارگافی به وجود می‌آید كه تابع فاصله میان جاهای خالی است.
امسال یابلونویچ با همكاری الیوت براون و كریس پاكر از آزمایشگاه لینكلن ام‌آی‌تی به كمك بلورهای فوتونی، سیگنال‌هایی را از آنتن‌های میكروموجی بازتاباندند. قبلاً، اگر آنتنی بر یك لایه زیرین نیمرسانا ساخته می‌شد، بیشتر میكروموج‌ها به داخل لایه نیمرسانا می‌رفتند تا به هوا منعكس شوند. یك آنتن دو قطبی ساده كه بر لایه زیرینی از نیمه عایق گالیم آرسنید ساخته شده باشد فقط دو درصد از توانش را به هوا می‌تاباند.
یابلوونویچ از ماده‌ای بر پایه اپوكسی، بلور فوتونی‌ای ساخت كه فضاهای خالی آن به فاصله 8ر7 میلی‌متری هم قرار داشتند. این بلور دارای نوارگافی در محدوده فركانسی 13 تا 16 گیگاهرتز است. بعداً براون و پاكر، آنتن تختی به شكل پاپیون روی سطح بلور ساختند و سیگنال میكروموجی در فركانس 2ر13 گیگا هرتز به آن خوراندند. سپس سیگنال تابیده از آنتن را در تمام زوایا اندازه گرفتند و مشاهده كردند كه تقریباً تمام سیگنال به هوا منتقل می‌شود.
برای كنترل، آنتن مشابهی روی بلوكی از همان ماده، اما بدون فضا خالی، ساختند همان‌طور كه انتظار می‌رفت اكثر سیگنال‌ها به داخل ماده راه یافتند.
براون می‌گوید: وضعیت واقعاً حیرت آور است، زیرا می‌توان فركانس نوار گاف را با تغییر فاصله بین حفره‌ها، و پهنای گاف را با اختیار كردن مواد مختلف تغییر داد.
براون و پاركر فعلاً مشغول ساختن بلور فوتونی سیلسیم، گالیم آرسنید یا ایندیم فسفیداند. در صورت موفقیت می‌توان آنتن و الكترونیك را روی تراشه واحدی جمع كرد. به عقیده براون این تراشه‌ها برای مصارفی نظیر رادارهای آرایه – فازی، ایده‌آل خواهند بود.
برای ساخت بلوری فوتونی با نوار گافی كه مانع عبور نور مرئی می‌شود، باید فاصله جاهای خالی خیلی كمتر باشد (در حدود چند صد نانومتر). محققان سعی كرده‌اند چنین حفره‌هایی را به كمك باریكه‌های یونی ایجاد كنند. ولی تاكنون موفق نشده‌اند.