Οι φωτονικοί κρύσταλλοι, γνωστοί και ως υλικά φωτονικού διακενού ζώνης, είναι περιοδικές νανοδομές που μπορούν να κατευθύνουν επιλεκτικά μήκη κύματος φωτός με τον ίδιο τρόπο όπως οι ημιαγωγοί σε ένα τσιπ υπολογιστή επιλεκτικά διοχετεύουν ορισμένες ηλεκτρονικές ζώνες ενέργειας. Ο όρος «διάκενο ζώνης» αναφέρεται απλώς σε κενά στη φασματική ζώνη φωτός που διαπερνά. Ένα ουράνιο τόξο, για παράδειγμα, δεν έχει κενά ζώνης, επειδή το νερό είναι διαφανές και δεν απορροφά κάποια συγκεκριμένη συχνότητα. Ένα ουράνιο τόξο που διέρχεται από έναν φωτονικό κρύσταλλο θα έχει επιλεκτικά κενά ανάλογα με τη συγκεκριμένη νανοδομή μέσα στον κρύσταλλο.
Υπάρχουν μερικά φυσικά υλικά που προσεγγίζουν τη δομή ενός φωτονικού κρυστάλλου. Ένα από αυτά είναι ο πολύτιμος λίθος οπάλιο. Ο ιριδισμός του που μοιάζει με ουράνιο τόξο προκαλείται από περιοδικές νανοδομές μέσα. Η περιοδικότητα της νανοδομής καθορίζει ποια μήκη κύματος φωτός επιτρέπονται και ποια όχι. Η περίοδος της δομής πρέπει να είναι το ήμισυ του μήκους κύματος του φωτός που επιτρέπεται να περάσει. Τα επιτρεπόμενα μήκη κύματος είναι γνωστά ως “modes” ενώ τα απαγορευμένα μήκη κύματος είναι τα φωτονικά κενά ζώνης. Ένα οπάλιο δεν είναι αληθινός φωτονικός κρύσταλλος επειδή δεν έχει πλήρες διάκενο ζώνης, αλλά προσεγγίζει αρκετά το ένα για τους σκοπούς αυτού του άρθρου.
Ένα άλλο φυσικό υλικό που περιλαμβάνει έναν φωτονικό κρύσταλλο είναι τα φτερά ορισμένων πεταλούδων όπως το γένος Morpho. Αυτά δημιουργούν όμορφα μπλε ιριδίζοντα φτερά.
Οι φωτονικοί κρύσταλλοι μελετήθηκαν για πρώτη φορά από τον διάσημο Βρετανό επιστήμονα Λόρδο Ράλεϊ το 1887. Ένας συνθετικός μονοδιάστατος φωτονικός κρύσταλλος που ονομάζεται καθρέφτης Bragg ήταν το αντικείμενο των μελετών του. Παρόλο που ο ίδιος ο καθρέφτης Bragg είναι μια δισδιάστατη επιφάνεια, παράγει το εφέ διάκενου ζώνης μόνο σε μία διάσταση. Αυτά έχουν χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή ανακλαστικών επικαλύψεων όπου η ζώνη ανάκλασης αντιστοιχεί στο διάκενο της φωτονικής ζώνης.
Εκατό χρόνια αργότερα, το 1987, ο Eli Yablonovitch και ο Sajeev John πρότειναν τη δυνατότητα δημιουργίας φωτονικών κρυστάλλων δύο ή τρισδιάστατων, που θα παρήγαγαν κενά ζώνης σε πολλές διαφορετικές κατευθύνσεις ταυτόχρονα. Γρήγορα έγινε αντιληπτό ότι τέτοια υλικά θα είχαν πολυάριθμες εφαρμογές στην οπτική και την ηλεκτρονική, όπως LED, οπτικές ίνες, νανοσκοπικά λέιζερ, υπερλευκή χρωστική ουσία, κεραίες ραδιοφώνου και ανακλαστήρες, ακόμη και οπτικούς υπολογιστές. Η έρευνα για τους φωτονικούς κρυστάλλους βρίσκεται σε εξέλιξη.
Μία από τις μεγαλύτερες προκλήσεις στην έρευνα των φωτονικών κρυστάλλων είναι το μικροσκοπικό μέγεθος και η ακρίβεια που απαιτούνται για την παραγωγή του φαινομένου του κενού ζώνης. Η σύνθεση κρυστάλλων με νανοδομές περιόδου είναι αρκετά δύσκολη με τις σύγχρονες τεχνολογίες κατασκευής όπως η φωτολιθογραφία. Οι τρισδιάστατοι φωτονικοί κρύσταλλοι έχουν σχεδιαστεί αλλά έχουν κατασκευαστεί μόνο σε εξαιρετικά περιορισμένη κλίμακα. Ίσως με την έλευση της κατασκευής από κάτω προς τα πάνω, ή της μοριακής νανοτεχνολογίας, να καταστεί δυνατή η μαζική παραγωγή αυτών των κρυστάλλων.