Fotonski kristali, znani tudi kot materiali fotonskih pasovnih razmikov, so periodične nanostrukture, ki lahko selektivno usmerjajo valovne dolžine svetlobe na skoraj enak način kot polprevodniki na računalniškem čipu, ki selektivno prepuščajo določene elektronske energijske pasove. Izraz “pasovni razmik” se nanaša zgolj na vrzeli v spektralnem pasu svetlobe, ki sije skozi. Mavrica, na primer, nima pasovnih vrzeli, ker je voda prozorna in ne absorbira nobene posebne frekvence. Mavrica, ki gre skozi fotonski kristal, bi imela selektivne vrzeli, odvisno od določene nanostrukture znotraj kristala.
Obstaja nekaj naravnih materialov, ki so podobni strukturi fotonskega kristala. Eden od njih je dragi kamen opal. Njegovo mavrično prelivanje povzročajo periodične nanostrukture v notranjosti. Periodičnost nanostrukture določa, katere valovne dolžine svetlobe so dovoljene in katere ne. Obdobje strukture mora biti polovica valovne dolžine svetlobe, ki je dovoljena. Dovoljene valovne dolžine so znane kot “načini”, medtem ko so prepovedane valovne dolžine fotonske pasovne vrzeli. Opal ni pravi fotonski kristal, ker nima popolne pasovne vrzeli, vendar se za namene tega članka dovolj približa enemu.
Drug naravni material, ki vključuje fotonski kristal, so krila nekaterih metuljev, kot je rod Morpho. Iz njih nastanejo čudovita modra mavrična krila.
Fotonske kristale je prvi proučeval slavni britanski znanstvenik Lord Raleigh leta 1887. Predmet njegovih študij je bil sintetični enodimenzionalni fotonski kristal, imenovan Braggovo zrcalo. Čeprav je samo Braggovo zrcalo dvodimenzionalna površina, ustvarja učinek pasovne vrzeli samo v eni dimenziji. Ti so bili uporabljeni za izdelavo odsevnih premazov, kjer odbojni pas ustreza fotonski pasovi vrzeli.
Sto let pozneje, leta 1987, sta Eli Yablonovitch in Sajeev John predlagala možnost dvo- ali tridimenzionalnih fotonskih kristalov, ki bi ustvarili pasovne vrzeli v več različnih smereh hkrati. Hitro se je ugotovilo, da bodo takšni materiali imeli številne aplikacije v optiki in elektroniki, kot so LED diode, optična vlakna, nanoskopski laserji, ultrabeli pigment, radijske antene in reflektorji ter celo optični računalniki. Raziskave fotonskih kristalov so v teku.
Eden največjih izzivov pri raziskavah fotonskih kristalov je majhna velikost in natančnost, ki sta potrebna za ustvarjanje učinka pasovne vrzeli. Sintetiziranje kristalov s periodnimi nanostrukturami je pri sodobnih proizvodnih tehnologijah, kot je fotolitografija, precej težko. 3-D fotonski kristali so bili zasnovani, vendar izdelani le v izjemno omejenem obsegu. Morda bo s prihodom proizvodnje od spodaj navzgor ali molekularne nanotehnologije množična proizvodnja teh kristalov mogoča.