材料科学与工程虚拟博物馆

对于晶体，人们并不陌生。从璀璨夺目的宝石，到日常生活中必不可少的食盐以及冬天里飘舞的雪花等等，这些都是晶体。从概念上讲，晶体是指材料内部的原子按照一定的规律有序排列而形成的一种周期性重复结构。晶体又分为单晶和多晶。单晶体是指在一整块材料中原子均按规则周期性有序排列，由于单晶体内部的规则性和有序性，其外形往往呈现特定几何形状，例如天然水晶和食盐等。多晶体则只是在一定尺度内的原子按规则周期性有序排列，形成一颗颗的晶粒，而晶粒与晶粒之间由无规则排列的晶界分隔开。

正是由于晶体内部的周期性重复结构，形成了周期性的势场，才使得运动的电子在受到周期散射时形成了能带结构，能带与能带之间产生带隙，电子波的能量如果落在带隙中就无法继续传播。光子晶体概念正是受到电子波在晶体中的这种传播特性启发而被设想并提出的。1987年，Yablonovitch和John不约而同地分别提出了光子晶体概念，即假设光子也可以具有类似于电子在普通晶体中传播的规律，当光波受到周期性结构调制时，也会出现类似的光子能带和光子带隙，光波的能量如果落在光子带隙中，也将同样无法继续传播。基于这一设想，有关光子晶体的研究迅速兴起，并在理论和实验上均证实了光子晶体的存在。

光子晶体是一个新名词，它既揭开了一个全新的前沿性研究领域，同时又给出了一个深奥的物理概念。想要把光子晶体解释清楚并不容易，理解光子晶体必须具备一些基本的物理学常识，如能级、能带和带隙等。从概念上讲，光子晶体是由两种或两种以上不同介电常数的材料呈周期性重复排列，排列周期为光波波长数量级，具有光子能带和光子带隙，可以控制光波在其中传播的特殊材料。光子晶体分成一维、二维和三维材料。如果只在一个方向上存在周期性结构，那么光子带隙只能出现在这个方向上，具有这种结构的材料是一维光子晶体（图1a）；如果在二个方向上存在周期结构，那么光子带隙就出现在这两个方向上，具有这种结构的材料是二维光子晶体（图1b）；如果在三个方向上都存在周期结构，那么可以出现全方位的光子带隙，特定频率的光进入光子晶体后将在各个方向都禁止传播，具有这种结构的材料被称为三维光子晶体（图1c）。

图1一维光子晶体（a），二维光子晶体（b）和三维光子晶体（c）

其实，自然界中早就存在光子晶体，例如，天然的蛋白石，又称欧泊（Opal）就是一种典型的光子晶体。蛋白石（图2a）是一种盛产于澳洲的天然名贵宝石，其中绚丽夺目的色彩和蛋白石本身的色素无关，而是因为其中的结构呈周期性规则排列，因而存在光子能带和光子能隙，随着能隙位置的不同，反射光的色彩随之而变，因而就产生了不同颜色的绚丽色彩。此外，蝴蝶翅膀（图2b）和鱼鳞片（图2c）等，也被证实是具有周期性规则排列的光子晶体结构。

图2具有光子晶体结构的蛋白石（a），蝴蝶翅膀（b）和鱼鳞片（c）

光子晶体的出现给科学家以无限遐想，而其最引人入胜之处在于，科学家将有望自由地操纵和控制光的行为，从而实现按自己的需求、以人工的方式设计和制造光子器件的可能。例如，倘若现在的电子计算机发展成为未来的光子计算机，其运行速度可望提高几个数量级；用光子晶体制成的光纤将极大提高信息传输量和传输效率，等等。二十世纪以控制电子运动而发展起来的半导体技术，曾经引发了计算机和通讯领域的一场革命，极大地改变了人类的生活方式。而光子晶体的出现，让科学家们预言在二十一世纪又将掀起一场新的技术革命。