I cristalli fotonici sono le nanostrutture in grado di manipolare i fotoni tramite un gap energetico, simile a come i semiconduttori nei chip dei computer manipolano la corrente elettronica. Si è sempre pensato che i cristalli fotonici dovessero essere spessi e ingombranti per essere funzionali. Scienziati dell'Università di Tokyo, l'Università di Elettrocomunicazioni di Tokyo, il Kyoto Institute of Technology e l'Università di Twente hanno scoperto che anche i cristalli fotonici a banda proibita 3D molto sottili sono dispositivi potenti per controllare fortemente il flusso di luce. Le nuove intuizioni portano a regole di progettazione per nuovi dispositivi optoelettronici per telecomunicazioni e computer efficienti, e sottili celle solari. Il documento risultante apparirà nel diario Revisione fisica B , pubblicato dall'American Physical Society.

"Abbiamo studiato cristalli fotonici accuratamente assemblati con la cosiddetta struttura a catasta di legna, " dice l'autore principale Dr. Tajiri (vedi Fig. 1). "I nostri cristalli sono costituiti da matrici impilate di barre in due direzioni perpendicolari in un wafer semiconduttore come l'arseniuro di gallio. La struttura cristallina è ispirata alle gemme di diamante." Il metodo avanzato consente convenientemente di realizzare strutture sottili di pochi strati di spessore, tra poche centinaia di nanometri a circa un micron.

Per indagare sui loro nuovi cristalli, il team giapponese-olandese ha deciso di misurare gli spettri di riflettività. Perciò, dopo la fabbricazione in Giappone, sono stati spediti a Twente per misurazioni microscopiche. Gli spettri hanno mostrato che i sottili cristalli fotonici simili a diamanti funzionano molto bene:tutti i cristalli hanno mostrato sia un'elevata riflettività che ampi picchi. Sorprendentemente, questo avveniva anche per il cristallo più sottile.

Alla luce riflessa è vietato entrare nei cristalli in una gamma considerevole di lunghezze d'onda, noto anche come gap proibito. Nei cristalli nippo-olandesi, la situazione è ancora più radicale, poiché alla luce è vietato viaggiare contemporaneamente in tutte le direzioni. Il Dr. Tajiri spiega:"La rapida formazione della fessura proibita nei nostri cristalli è notevole perché i primi cristalli 3-D richiedevano un grande spessore per far emergere una fessura".

Possibili applicazioni

Il prof. Iwamoto, leader del team giapponese, afferma:"La nostra scoperta che anche i cristalli fotonici sottili sono dispositivi potenti significa che possiamo risparmiare tempo e risorse di fabbricazione considerevoli". E il prof. Vos, leader della squadra olandese, entusiasta:"Il risultato che anche le strutture sottili sono perfettamente funzionanti è un'ottima notizia per le applicazioni nel fotovoltaico. Qui, gli scienziati sono alla ricerca di riflettori posteriori sottili a banda larga per migliorare le prestazioni delle celle solari sottili".

Il documento è intitolato "Reflectivity of Finite 3-D GaAs Photonic Band Gap Crystals" ed è stato pubblicato in Revisione fisica B il 1 giugno.