Fotonkristallen den fina

Var och en som använder datorer vet att utvecklingen är svindlande. Knappt har man köpt en apparat förrän en ny och ännu bättre har nått marknaden. Det beror bland annat på att tillverkarna packar elektroniken tätare och att vägen därmed blir kortare för elektronerna som då kan utföra sina uppgifter allt snabbare.

Om man däremot ska skicka information över långa avstånd eller när det ska gå riktigt fort, har man i alla tider använt ljusstrålar – från vårdkasarnas eld till dagens bredband och fiberoptik. Tack vare ljusets höga frekvens, en miljon miljarder svängningar per sekund, kan en enda ljusstråle bära en oerhörd mängd data. Längs en enda optisk fiber, tunn som ett hårstrå, kan man skicka information motsvarande hundra dvd-filmer på en sekund.

Ljuset bromsas i myllret

Vanligen får man omvandla de långväga ljusstrålarna till elektricitet när de ska in i datorn. En dröm har länge varit att göra en helt optisk dator. Men då säger tekniken plötsligt stopp och lär göra det länge än. En liknelse kan vara på sin plats: du sitter (i drömmen) och kör 300 knyck i en Ferrari på motorvägen. Men så fort du kommer in till stan måste bilen bromsa in på grund av alla kurvor, vägkorsningar och trafikregler där bilister måste ta hänsyn till varandra och lämna företräde. På liknande sätt kan inte ljus göra tvära svängar utan att köra av vägen, och det är mycket svårt att göra optiska vägkorsningar där olika ljusstrålar vet vart de ska ta vägen.

Ett annat problem med att göra datakretsar för ljus är att de flesta optiska komponenter som används i dag är jättestora, många gånger större än ljusvåglängden, som för synligt ljus är kring en halv tusendels millimeter. Dessutom är det svårt att göra en optisk motsvarighet till elektronikens transistor, grundstenen i en dator. Det beror på att ljusstrålar knappast påverkar varandra när de korsas, ljuskäglorna från två ficklampor går bara rakt igenom varandra.

Så för ett tag ger vi upp tanken på en helt optisk dator och satsar än så länge på bättre optiska komponenter, exempelvis för att göra mindre lasrar för cd- och dvd-spelare. Hur går man då till väga för att med större precision styra och kontrollera ljus? Det är här som fotonkristallerna kommer in. Hur då foton? Vadå kristall? Jo, foton är samlingsnamnet på ljusets våg- och energiegenskaper, och kommer från grekiskans fos som betyder ljus. Och kristall kallas de strukturer i naturen som är regelbundet samordnade.

Idén med fotonkristaller är just att försöka härma naturen. Man kan till exempel titta på nanotekniken hos en fjäril. Färgspelet i en fjärilsvinge uppkommer när ljusvågor läggs ihop, ett fenomen kallat interferens. Ljusvågen ger starkare ljus om två vågtoppar sammanfaller, om en vågtopp möter en vågdal släcks ljuset ut.

En fjärilsvinge är uppbyggd av flera lager mycket tunna skikt som ligger ovanpå varandra i flera riktningar. När ljus reflekteras från de olika skikten överlagras ljusvågorna och interfererar med varandra – vissa färger förstärks medan andra släcks ut. Hemligheten med fjärilsvingen är att den är uppbyggd av element som är ungefär lika stora som våglängden hos det ljus som påverkas. Resultatet liknar det som händer när en skidåkare åker in i en puckelpist. Om svängarna är ungefär lika stora som pucklarna kommer man igenom. Om rytmen i skidåkningen inte stämmer överens med puckelpisten åker man ut.

Som en diamant

Nu kanske det inte var skidåkning som var inspirationskällan för Eli Yablonovitch från University of California och Sajeev John vid University of Toronto när de 1987 oberoende av varandra kom på idén med fotonkristaller. De funderade i stället över hur de kiselkristaller som används i mikroelektroniken fungerade för elektroner.

I en elektrisk ledare är det lätt för elektronerna att fara runt. I en elektrisk isolator däremot finns en barriär som hindrar elektronerna från att förflytta sig. Men kisel och andra elektronikmaterial är speciella. Genom att ändra litet i dem kan man allt efter behov förvandla dem endera till isolatorer eller elektriska ledare. Kunde man hitta något liknande för ljus?

Med den tanken satte Yablonovitch och hans medarbetare i gång en mödosam process att tillverka fotonkristaller. För att göra det enkelt började de med en fotonkristall för högfrekventa mikrovågor med en våglängd i millimeterstorlek. Kristallen tillverkades av plexiglas där man borrade hål till ett tredimensionellt mönster. Målet var att ta fram kristall som fungerade som en isolator och en perfekt spegel – alla mikrovågor som träffade kristallen, oberoende från vilket håll de kom, skulle reflekteras tillbaka.

Länge såg det ut som om Yablonovitch aldrig skulle lyckas. Han testade massor av kristaller men alltid släppte de igenom vissa mikrovågor som föll in från något håll. Den anrika vetenskapstidskriften Nature skrev till och med en ledarartikel med rubriken ”Fotonkristallerna biter i gräset” där de litet syrligt kommenterade Yablonovitchs misslyckanden. Men skam den som ger sig, och till slut fann han en struktur som fungerar. Detta nya optiska material med ett kristallmönster som liknar diamantens är numera döpt till Yablonovite.

Vad kan man då ha fotonkristallerna till? I dag, femton år senare, har fotonkristaller blivit ett slags Legobitar för att göra intressanta saker med elektromagnetisk strålning. De kan användas till att styra ljus, kanske få ljus att kunna ta tvära svängar eller kanske helt blockera strålen.

Fotoniska kristallkretsar

Ett användningsområde kan vara att göra olika typer av filter och antenner. Eller så kan man genom att lägga till eller ta bort material i fotonkristallen skapa en rodelbana för ljus att snabbt svischa fram på genom olika optiska kretsar för telekommunikation. Fotonkristaller kan användas för att göra effektivare optiska fibrer – i dag måste ljusstrålen förstärkas var tjugonde kilometer. Med fotonkristalltekniken blir förlusterna avsevärt mindre.

Fotonkristaller skulle också kunna skräddarsys likt fjärilsvingarna så att vissa våglängder absorberas i materialet och försvinner, medan andra reflekteras tillbaka. Militärer kan utnyttja metoden till att kamouflera fordon och människor. Tillsammans med forskare vid Uppsala universitet har Försvarets materialverk intresserat sig för fotonkristaller. De skulle användas i en kamouflagefärg för att ta bort värmestrålningen i de två våglängdsområden av infraröd strålning som är synliga för värmekameror.

Frågan är om man alltid behöver göra en tredimensionell fotonkristall. I en stad försiggår den normala stadstrafiken för det mesta i två dimensioner, på längden och på bredden, medan höjden bara utnyttjas om det verkligen behövs. Vid Kungliga Tekniska högskolan har vi arbetat i ett europeiskt forskningsprojekt, tillsammans med bland annat det franska telekomföretaget Alcatel, och byggt både lasrar och optiska filter med fotoniska kristaller i två dimensioner.

Jultomtens verkstad

Utmaningen för forskningen om fotonkristaller handlar mycket om tillverkning. Vi har alla sett jultomtens verkstad i Kalle Ankas julafton på tv. Man tar sin målarburk med schackrutig färg, och vips så har man schackbrädan målad. Skulle man kunna måla en fotonkristall på liknande sätt? I fallet med kamouflagefärgen går det nog bra, eftersom precisionen inte behöver vara så hög – det gör inte så mycket om nanostrukturmönstret inte är helt perfekt överallt.

Men för optiska kretsar är det snarare så att mönstret hos fotonkristallen är som maskorna i en stickad tröja, där själva kretsarna är tröjmönstret med garner i olika färger och tjocklekar som måste sättas på precisa platser. Då går det inte att slabba på med färg hur som helst.

För optiska kretsar använder man sig oftast av metoder från mikroelektroniken, där man etsar hål i strukturen utifrån en mask som tillverkas på förhand. I förlängningen skulle det dock vara enklast om man kunde hitta någon bra kemisk eller biologisk väg för fotonkristallerna att sätta ihop sig själva, som det sker i naturen. Om man sedan på köpet kunde få dem att inte bara skapa en regelbunden kristall, utan även också självmant producera det kretsmönster av vägar för ljuset, optiska vägkorsningar och filter som vi vill ha, så vore det naturligtvis allra bäst. Men dit är vägen ännu mycket lång.