پایگاه مجازی برق الکترونیک

بسیاری از انقلاب هایی که در عرصه تکنولوژی صورت گرفته است به علت عمیق شدن بر خصوصیات مواد و کشف ویژگیهای تازه است. به این ترتیب انسان از عصر سنگ پا به عصر آهن می گذارد و از زمین موادی را استخراج می کند که خصوصیات مورد نظر او را برآورده کند. مهندسی در عصر حاضر یک گام به جلو رفته است و بر اساس مواد موجود در مورد تولید موادی با یک سری خصوصیات ویژهبه بحث می پردازد. تحول در عرصه مواد مصنوعی در گذشته برای رسیدن به یک سری خصوصیات مکانیکی دلخواه سبب ایجاد شاخه هایی همچون متالورژی، سرامیک و پلاستیک شده است.در قرن بیستم کنترل خصوصیات الکتریکی مواد به پیشرفت علم فیزیک نیمه هادی منجر شد.با استفاده از این دانش می توان خصوصیات رسانندگی مواد را به هرگونه ای طراحی کرد که مهمترین تحول در این زمینه ترانزیستور می باشد.بر اساس آلیاژها و سرامیکهای جدید دانشمندان موفق به اختراع ابرهادی هایی با مشخصه های دمایی مطلوب شدند. اما در دهه های گذشته انگیزه دیگری سبب ایجاد موضوعات جدیدی شد. این انگیزه کنترل خصوصیات اپتیکی مواد بود. اگر بتوان ماده ای را به گونه ای مهندسی کرد که اجازه عبور نور را در جهت و یا فرکانس خاصی بدهد و در عین حال بتواند نور را در محدوده فضایی خاصی نگه دارد به تکنولوژی جدیدی دست یافته ایم. این موضوع تنها در مورد فیبرهای نوری که نور را در خود هدایت می کنند به تنهاییمی تواند سبب تحولات زیادی در عرصه مخابرات شود. لیزرها، کامپیوترهای پر سرعت و اسپکتروسکوپی چند مثال دیگر در این زمینه است.

اولین سوال در این زمینه این است که چه ماده ای این خاصیت را دارد؟ برای پاسخ به این سوال به صورت مشابه کنترل الکترونیکی مواد را در نظر می گیریم. کریستال در حقیقت چینش پریودیکی از اتمها یا مولکولهاست. اگر ساختاری کوچک از اتمها یا مولکولها به صورت فضایی تکرار شود شبکه کریستالی شکل می گیرد. کریستال به این ترتیب دارای پتانسیل متناوبی در انتشار الکترون از داخل خود است و هندسه آن نوع هدایت الکترون را از داخلش متاثر می کند. در حقیقت شبکه کریستالی شکافی را در باند انرژی ساختار باعث می شود و مانع انتشار الکترونها با انرژیهای خاصی می شود.اگر پتانسیل شبکه به قدر کافی باشد از انتشار الکترون در هر راستایی جلوگیری می کند و یک شکاف کامل بوجود می آید. مثال مشهور این مساله مواد نیمه هادی هستند که دارای یک شکاف در بین لایه های هدایت و انرژی می باشند و در این حالتالکترونها مجاز به قرار گرفتن در هر سطح انرژی نیستند.

در حالت اپتیکی به طور مشابه کریستالهای فوتونی وجود دارند که در آنها پتانسیل پریودیک به علت شبکه ماکروسکوپی پریودیکی از دی الکتریکها به جای اتمها بوجود آمده است.اگر ضرایب دی الکتریک مواد در ساختار کریستالی به اندازه کافی متفاوت باشند و جذب نور توسط ماده نیز حداقل باشد در انتشار نور پدیده ای مشابه با حرکت الکترون در نیمه هادی اتفاق می افتد.به این ترتیب کریستالهای فوتونی روشی برای کنترل و تغییر پارامترهای انتشار نور به شمار می آیند