Fotoniniai kristalai, taip pat žinomi kaip fotoninės juostos medžiagos, yra periodinės nanostruktūros, kurios gali selektyviai nukreipti šviesos bangos ilgį panašiai kaip puslaidininkiai kompiuterio luste selektyviai praleisti tam tikras elektronines energijos juostas. Terminas „juostos tarpas“ reiškia tik spragas šviesos spektrinėje juostoje. Pavyzdžiui, vaivorykštėje trūksta juostų tarpų, nes vanduo yra skaidrus ir nesugeria jokio konkretaus dažnio. Vaivorykštė, einanti per fotoninį kristalą, turėtų selektyvias spragas, priklausomai nuo konkrečios kristalo nanostruktūros.
Yra keletas natūralių medžiagų, kurios prilygsta fotoninio kristalo struktūrai. Vienas iš jų yra brangakmenio opalas. Į vaivorykštę panašią vaivorykštę sukelia periodinės nanostruktūros. Nanostruktūros periodiškumas lemia, kurie šviesos bangos ilgiai yra leidžiami, o kurie ne. Konstrukcijos periodas turi būti pusė praleidžiamos šviesos bangos ilgio. Leistini bangos ilgiai yra žinomi kaip „režimai“, o draudžiami bangos ilgiai yra fotoninių juostų tarpai. Opalas nėra tikras fotoninis kristalas, nes jam trūksta visiško juostos tarpo, tačiau jis yra pakankamai artimas šio straipsnio tikslams.
Kita natūraliai pasitaikanti medžiaga, kurioje yra fotoninis kristalas, yra kai kurių drugelių, pavyzdžiui, Morpho genties, sparnai. Iš jų atsiranda gražūs mėlynai švytintys sparnai.
Fotoninius kristalus pirmą kartą tyrė garsus britų mokslininkas lordas Rolis 1887 m. Jo tyrinėjimų objektas buvo sintetinis vienmatis fotoninis kristalas, vadinamas Braggo veidrodžiu. Nors pats Bragg veidrodis yra dvimatis paviršius, jis sukuria juostos tarpo efektą tik vienoje dimensijoje. Jie buvo naudojami atspindinčioms dangoms gaminti, kai atspindžio juosta atitinka fotoninės juostos tarpą.
Po šimto metų, 1987 m., Eli Yablonovitch ir Sajeev John pasiūlė galimybę sukurti dvimačius arba trimačius fotoninius kristalus, kurie vienu metu sukurtų juostų tarpus keliomis skirtingomis kryptimis. Greitai buvo suprasta, kad tokios medžiagos turės daugybę pritaikymų optikoje ir elektronikoje, pavyzdžiui, šviesos dioduose, optiniame pluošte, nanoskopiniuose lazeriuose, ypač baltame pigmente, radijo antenose ir reflektoriuose ir net optiniuose kompiuteriuose. Fotoninių kristalų tyrimai tęsiasi.
Vienas didžiausių iššūkių atliekant fotoninių kristalų tyrimus yra mažas dydis ir tikslumas, reikalingas juostos tarpo efektui sukurti. Sintetinti kristalus su laikotarpio nanostruktūromis yra gana sunku naudojant šiuolaikines gamybos technologijas, tokias kaip fotolitografija. 3-D fotoniniai kristalai buvo sukurti, bet pagaminti tik labai ribotu mastu. Galbūt, atsiradus „iš apačios į viršų“ gamybai arba molekulinėms nanotechnologijoms, bus įmanoma masinė šių kristalų gamyba.