1987年，物理學家Eli Yablonovitch預測，光子晶體材料（PBC）能夠通過當前微電路處理電信號的方式來處理光，也就是說，讓光可以像電子在半導體中作用的方式一樣得到操控！
圖丨Eli Yablonovitch
自此以后的30余年，科學家通過直接微加工方式成功制造了各種一維和二維光子晶體材料，但三維光子晶體塊狀材料及其潛在應用（譬如下一代計算技術(shù)）卻始終停滯不前。
從基礎物理說起
我們首先簡要了解一下光子晶體和半導體材料的物理原理。假設，你要穿越一塊溝壑區(qū)域，如果你的步伐大小與溝壑之間的間距大小差不多，那么，你可以以兩種速度奔跑：
1）快速。沿著溝壑頂部跳過；
2）慢速。從泥濘的低谷中，慢慢前行。
與之同理，當波穿過具有交替的周期性 “溝壑”介質(zhì)時，它也可以以兩種方式傳播：波峰位于峰頂上，或者波峰落在這些峰之間。兩種傳播模式，通常對應兩種不同的能量。
在3D晶體中，溝槽的間距和間隙能量取決于波相對于晶格軸的運動方向。但是，對于某些種類的晶體，可能存在一定范圍的波能（稱為帶隙），波的能量根本無法在任何方向上傳播。
在硅晶體半導體中，波是電子，并且?guī)兑馕吨承┠芰康碾娮硬⒉淮嬖?，從而使晶體管之類的現(xiàn)代電子器件成為可能。Yablonovitch認為，從理論上講，對于光波，可能會發(fā)生類似的帶隙現(xiàn)象，但僅適用于某些透明材料制成的微觀顆粒形成的具有鉆石晶格的晶體結(jié)構(gòu)。
膠體晶體
有趣的是，微小的顆粒往往會自發(fā)地排列成類似有序的結(jié)構(gòu)，稱為膠體晶體。蛋白石是自然形成的二氧化硅微粒的膠化膠體晶體，而蛋白石的火花就是由于上述的能隙引起的。
當光照射在蛋白石上時，能量（與顏色相關）處于能隙范圍內(nèi)的光子無法進入晶體，導致近100％的反射。帶隙能量以及反射的顏色取決于入射光的方向，最終使蛋白石具有獨特的光學特性。
圖丨蛋白石
1990年以來，科學家都很樂觀地認為，生產(chǎn)出類鉆石的膠體晶體可以有非常簡單的方法，但是二十年過去了，這個簡單的方法才慢慢揭開序幕。
在鉆石晶格中，每個粒子都與周圍4個等間距的粒子相連接。當兩個這樣的聚合粒子聚在一起時，必須旋轉(zhuǎn)它們，使它們結(jié)合的其他六個粒子處于正確的相對方向，才能最終得到膠體晶體。
新策略
2012年，紐約大學David J. Pine和Marcus Weck等人就曾通過打補丁的方法，在Nature報道了微顆粒的精準自組裝。他們模仿原子構(gòu)建分子的方式，在顆粒表面上對稱排列了具有“粘性”的DNA補丁，補丁迫使粒子僅沿著某些矢量相互作用，最終得到想要的得到的模型。
圖丨DNA補丁輔助自組裝，來源Nature
時隔8年之后，2020年9月24日，紐約大學David J. Pine課題組再次在自組裝領域取得新突破，他和Stefano Sacanna等人一起，在Nature報道了一種新型光子晶體，透明微顆粒以類似于金剛石晶體中碳原子的方式排列。
每個構(gòu)造單元由四個合并的球組成，呈三角形的金字塔形，每個金字塔面的中心都有一個凹進的粘性補丁。當懸浮在水滴中時，通過其粘性貼片對接在一起的顆粒將被迫進入所需的角度位置。最終，這些粒子自發(fā)地組裝成金剛石結(jié)構(gòu)的高度有序的，穩(wěn)定的光子晶體。
當前，研究團隊已經(jīng)能制造出包含約100000個顆粒，重量不到1μg的光子晶體，而且，進一步的拓展這個組裝過程也相對較為簡單。通過使用純硅或二氧化鈦（分別用于紅外或可見光）來填充這些晶體中的空白區(qū)域，然后溶解這些結(jié)構(gòu)單元，以實現(xiàn)塊體的3D結(jié)構(gòu)光子晶體材料的構(gòu)建。
量子計算機
那么，有人就要問了，光子晶體到底有什么用？
答案是，量子計算機。
在光子晶體的諸多應用中，當前最吸引人的莫過于量子計算機。傳統(tǒng)計算機中存儲“ 0”或“ 1”的數(shù)字位被量子位（qubit）所取代，因為量子位可以同時為“ 0”和“ 1”。這種取代使人們可以更快地計算出代碼破解中可能遇到的許多困難。
然而，建立實用的量子計算機的挑戰(zhàn)在于，需要使用光子信號將許多量子位連接在一起，并隔離這些量子位，以使它們不會受到外界干擾的干擾。
光子晶體微電路中，光子周圍的通道為這些問題提供了解決方案，二維光子晶體已被證實可用于構(gòu)建原型量子器件。但是，由于當前的量子光子電路是薄的2D薄層，導致它們的性能受到限制：光子會泄漏，干擾也會泄漏。解決這個問題的簡單方法是將這些電路夾在兩個3D光子晶體層之間。
未來可期
未來，大容量光子晶體將可用于生產(chǎn)大型量子系統(tǒng)，使用光進行受控控制，并與常規(guī)電子設備進行連接，以實現(xiàn)更多新技術(shù)和新應用。
至于這種技術(shù)的最終潛力，或許正應了那句話：沒有做不到，只有想不到！
參考文獻：
1. Mingxin He et al. Colloidal diamond. Nature2002, 585, 524–529.
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2718-6
2. John C. Crocker. Elusive photonic crystals come a step closer. Nature 2002, 585, 506-507.
https://www.nature.com/articles/d41586-020-02656-z
