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
自此以後的30餘年，科學家通過直接微加工方式成功製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）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域，如果你的步伐大小與溝壑之間的間距大小差不多，那麼，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」介質時，它也可以以兩種方式傳播：波峰位於峰頂上，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於晶格軸的運動方向。但是，對於某些種類的晶體，可能存在一定範圍的波能（稱為帶隙），波的能量根本無法在任何方向上傳播。
在矽晶體半導體中，波是電子，並且帶隙意味著某些能量的電子並不存在，從而使電晶體之類的現代電子器件成為可能。Yablonovitch認為，從理論上講，對於光波，可能會發生類似的帶隙現象，但僅適用於某些透明材料製成的微觀顆粒形成的具有鑽石晶格的晶體結構。
膠體晶體
有趣的是，微小的顆粒往往會自發地排列成類似有序的結構，稱為膠體晶體。蛋白石是自然形成的二氧化矽微粒的膠化膠體晶體，而蛋白石的火花就是由於上述的能隙引起的。
當光照射在蛋白石上時，能量（與顏色相關）處於能隙範圍內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於入射光的方向，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，生產出類鑽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。
在鑽石晶格中，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，必須旋轉它們，使它們結合的其他六個粒子處於正確的相對方向，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報導了微顆粒的精準自組裝。他們模仿原子構建分子的方式，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年之後，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報導了一種新型光子晶體，透明微顆粒以類似於金剛石晶體中碳原子的方式排列。
每個構造單元由四個合併的球組成，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，這些粒子自發地組裝成金剛石結構的高度有序的，穩定的光子晶體。
當前，研究團隊已經能製造出包含約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。通過使用純矽或二氧化鈦（分別用於紅外或可見光）來填充這些晶體中的空白區域，然後溶解這些結構單元，以實現塊體的3D結構光子晶體材料的構建。
量子計算機
那麼，有人就要問了，光子晶體到底有什麼用？
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於量子計算機。傳統計算機中存儲「 0」或「 1」的數字位被量子位（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在於，需要使用光子信號將許多量子位連接在一起，並隔離這些量子位，以使它們不會受到外界幹擾的幹擾。
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於構建原型量子器件。但是，由於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：光子會洩漏，幹擾也會洩漏。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於生產大型量子系統，使用光進行受控控制，並與常規電子設備進行連接，以實現更多新技術和新應用。
至於這種技術的最終潛力，或許正應了那句話：沒有做不到，只有想不到！
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