Μπορεί το φως να παγιδευτεί σε ένα δοχείο οποιουδήποτε είδους και να παραμείνει εκεί μέχρι να το απελευθερώσουμε; Οι περισσότεροι θα απαντήσουν όχι. Οσοι γνωρίζουν τις οπτικές ίνες μπορεί να μιλήσουν γι' αυτές. Ομως, στην περίπτωση των οπτικών ινών το φως ναι μεν παραμένει μέσα στην ίνα για μεγάλες αποστάσεις, αλλά μόνο εφόσον προσπίπτει στην εσωτερική ανακλαστική τους επιφάνεια με μικρή γωνία. Επιπλέον, οι οπτικές ίνες εξασθενούν τη φωτεινή ακτίνα, η οποία χρειάζεται ενίσχυση κάθε 80 χιλιόμετρα. Σίγουρα δεν πρόκειται για παγίδες φωτός.

Φωτονικό χάσμα ζώνης ήταν το όνομα που έδωσαν από κοινού ο φυσικός Σατζίβ Τζον και ο ηλεκτρολόγος μηχανικός Ελι Γιαμπλόνοβιτς στη θεωρία που διατύπωσαν το 1987 σε εργασίες που έστειλαν ταυτόχρονα για δημοσίευση στο περιοδικό «Φίζικαλ Ριβιού Λέτερς». Οι δύο επιστήμονες, που μέχρι εκείνη τη στιγμή δε γνωρίζονταν, ξεκίνησαν από διαφορετικές αφετηρίες, αλλά κατέληξαν στην ίδια καινοτόμα και ριζοσπαστική ιδέα. Αυτή η ιδέα έχει γίνει σήμερα η βάση για τη δημιουργία φωτονικών κρυστάλλων, που μπορεί να αποδειχτούν τόσο σημαντική εφεύρεση, όσο και εκείνη των ημιαγωγών.

Οι φωτονικοί κρύσταλλοι έχουν το συνηθισμένο κρυσταλλικό πλέγμα που έχουν και πολλοί φυσικοί κρύσταλλοι. Μοιάζουν με κλουβιά και αυτό ακριβώς είναι. «Κλουβιά» που παγιδεύουν φωτόνια (τα σωματίδια φωτός που ταξιδεύουν με ταχύτητα 300.000 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο), όπως οι πυγολαμπίδες μέσα σε μια γυάλα.

Το να εγκλωβιστεί το φως χωρίς να απορροφηθεί (που σημαίνει μετατροπή του σε άλλες μορφές ενέργειας και κυρίως θερμική), να παγιδευτεί με τρόπο που να παραμένει ακέραιο και χρήσιμο δεν είναι καθόλου εύκολο πράγμα. Ολοι μπορούν να απορροφήσουν το φως. Καθένας μας σταματά τρισεκατομμύρια φωτόνια το δευτερόλεπτο. Σκοπός είναι να δαμαστούν τα φωτόνια, όχι να εξαφανιστούν. Οταν μπουν στο κλουβί μπορεί μετά να βρεθεί τρόπος, για να απελευθερωθούν όταν χρειαστεί και να διοχετευτούν σε κανάλια, έτσι ώστε να «ρεύσουν» μόνο εκεί που θέλουμε, όπως ακριβώς γίνεται με τα ηλεκτρόνια στα ολοκληρωμένα κυκλώματα των ηλεκτρονικών υπολογιστών.

Τα μικροτσίπς κατασκευάζονται από ημιαγωγούς, σήμα κατατεθέν των οποίων είναι το χάσμα ζώνης. Σε κάθε στερεό σώμα, τα ηλεκτρόνια υπάρχουν μόνο σε διακριτά ενεργειακά επίπεδα. Αλλά σε έναν ημιαγωγό, υπάρχει ένα μεγάλο χάσμα ανάμεσα στη ζώνη των δεσμευμένων στα άτομα ηλεκτρονίων και την πιο ενεργητική ζώνη των ελεύθερων ηλεκτρονίων, που δημιουργούν το ηλεκτρικό ρεύμα. Αυτό το χάσμα ζώνης επιτρέπει τον έλεγχο της ροής του ηλεκτρισμού μέσα σε ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα. Σε έναν απόλυτα καθαρό κρύσταλλο πυριτίου αυτό το χάσμα ζώνης δεν υπάρχει. Αν όμως μολυνθεί ο κρύσταλλος με κάποιο ιχνοστοιχείο, αρσενικό για παράδειγμα, μπορούν να εισαχθούν σ' αυτόν όσα ευκίνητα ηλεκτρόνια χρειάζονται.

Αν μπορούσε να γίνει το ίδιο και με το φως, σε φωτονικά ολοκληρωμένα κυκλώματα, οι πληροφορίες θα μπορούσαν να ρέουν πιο γρήγορα και σε μεγαλύτερη αφθονία. Ενας οπτικός υπολογιστής που θα επεξεργαζόταν πληροφορίες σε μορφή φωτονίων αντί ηλεκτρονίων θα μπορούσε να διαχειριστεί τρισεκατομμύρια στοιχειώδεις πληροφορίες (bits) το δευτερόλεπτο. Δηλαδή, χιλιάδες φορές πιο γρήγορη επεξεργασία απ' ό,τι με τους γρηγορότερους σημερινούς προσωπικούς υπολογιστές του 1 γιγαχέρτζ. Πολύ πριν από την κατασκευή του πρώτου οπτικού υπολογιστή, τα φωτονικά ολοκληρωμένα κυκλώματα θα μπορέσουν να επιταχύνουν εξαιρετικά τις τηλεπικοινωνίες αν χρησιμοποιηθούν σε οπτικούς μεταγωγείς, που θα παρακάμπτουν τη διπλή μετατροπή του σήματος από ηλεκτρονικό σε οπτικό και αντίστροφα.

Για να κατασκευαστούν οπτικά ολοκληρωμένα κυκλώματα χρειάζεται το φωτονικό αντίστοιχο του πυριτίου: ένα υλικό που να μπορεί να παγιδεύει φως. Οταν ο Σ. Τζον σκέφτηκε για πρώτη φορά την παγίδευση του φωτός, δεν τον απασχολούσαν τα φωτονικά μικροτσίπ. Εκανε το διδακτορικό του πάνω σε θέμα εμπνευσμένο από μια περίφημη δημοσίευση του Φ. Αντερσον, το 1958, σύμφωνα με την οποία τα ηλεκτρόνια μπορούσαν να παγιδευτούν σε ένα χαοτικό υλικό (υλικό που τα άτομα ή τα μόριά του είναι τοποθετημένα σε τυχαίες θέσεις). Το ηλεκτρόνιο συγκρούεται με τα άτομα τόσο συχνά που τελικά επιστρέφει εκεί απ' όπου ξεκίνησε, παραμένοντας περιορισμένο σε μικρό χώρο. Ο Τζον ασχολήθηκε με το αν ήταν το ίδιο φαινόμενο δυνατό με τα φωτόνια. «Διατύπωσα απλώς μια θεμελιώδη ερώτηση για τη φύση», λέει ο ίδιος.

Η απάντησή του ήταν καταφατική: Το φως μπορούσε να περιοριστεί, αλλά όχι εύκολα. Μόλις το 1997 Ευρωπαίοι ερευνητές κατάφεραν να παγιδεύσουν το φως σε ένα χαοτικό υλικό. Οι επιστήμονες του Ευρωπαϊκού Εργαστηρίου για τη μη γραμμική Φασματοσκοπία σε συνεργασία με το Πανεπιστήμιο του Αμστερνταμ χρησιμοποίησαν μια σκόνη αρσενικούχου γαλλίου, τέτοια που οι κόκκοι της ήταν μικρότεροι από το μήκος κύματος της ακτίνας λέιζερ που σκόπευσαν πάνω της. Ακόμα κι όταν το στρώμα σκόνης είχε πάχος μόλις 2,5 δέκατα του χιλιοστού, το φως που προσέπιπτε σ' αυτήν εγκλωβιζόταν και δεν μπορούσε να τη διαπεράσει. Αλλά τα μικροτσίπς δεν μπορούν να κατασκευαστούν από σκόνη.

Ο Ελι Γιαμπλόνοβιτς δεν έθεσε θεμελιώδη ερωτήματα για τη φύση. Ηθελε να φτιάξει πιο καλά λέιζερ. Ενα πρόβλημα που αντιμετώπιζαν τα λέιζερ της δεκαετίας του 1980 ήταν το φαινόμενο της αυτόματης εκπομπής που είχε σαν αποτέλεσμα να χάνεται μεγάλο μέρος των φωτονίων, άρα και της ενέργειας που τροφοδοτείται στο λέιζερ. Αν μπορούσαν αυτά τα φωτόνια να παγιδευτούν μέσα στο λέιζερ, τότε η απόδοση θα αυξανόταν σημαντικά. Μια μέρα, καθώς έκανε μουντζούρες σε ένα χαρτί στο εργαστήριό του, σχημάτισε ένα σχήμα σκακιέρας. Σκέφτηκε να το κάνει τρισδιάστατο και συνειδητοποίησε ότι είχε σχεδιάσει ένα κρυσταλλικό πλέγμα που ίσως παγίδευε το φως μέσω του φαινομένου της παρεμβολής. Παρεμβολή συμβαίνει όταν συναντώνται δύο φωτεινές δέσμες του ίδιου μήκους κύματος. Αν οι κορυφές των κυμάτων συμπέσουν τότε αυτά ενισχύονται, ενώ αν οι κορυφές του ενός πέσουν στις κοιλίες του άλλου, τότε αλληλοαναιρούνται. Με κατάλληλη διάταξη (βλέπε σχετικό διάγραμμα) μπορεί να επιτευχθεί η λεγόμενη ανάκλαση Μπραγκ, δηλαδή η ολική ανάκλαση του φωτός.

Τελικά, ο Γιαμπλόνοβιτς είδε ότι μπορούσε να κατασκευάσει έναν κρύσταλλο που θα πετύχαινε ανάκλαση Μπραγκ ανεξάρτητα από τη γωνία πρόσπτωσης του φωτός. Μα ακριβώς αυτό είναι μια παγίδα φωτός! Σε όποια κατεύθυνση και να ταξίδευε μια φωτεινή δέσμη που θα είχε παραχθεί μέσα στον κρύσταλλο θα ανακλόνταν πάλι και πάλι, χωρίς καμία απώλεια. Το 1987 η κατασκευή ενός φωτονικού κρυστάλλου ήταν σχεδόν αδύνατη. Απλώς σαν απόδειξη της ιδέας κατάφερε το 1991 μετά από πολλές δοκιμές να κατασκευάσει ένα κομμάτι πλαστικό που μπορούσε να εγκλωβίσει μια ακτίνα μικροκυμάτων.

Η σχετική έρευνα προχώρησε γοργά. Αλλωστε, στην πραγματικότητα κανένας δεν έχει ανάγκη έναν τέλειο φωτονικό κρύσταλλο, ένα σκοτεινό και άδειο κλουβί αποκομμένο από το περιβάλλον. Οπως και στους ημιαγωγούς, από κάπου θα πρέπει να μπαίνει το μέσο μεταφοράς της πληροφορίας και από κάπου να βγαίνει, αφού έχει ακολουθήσει στο μεταξύ συγκεκριμένα μονοπάτια. Η χάραξη εισόδων, εξόδων και μονοπατιών γίνεται στους φωτονικούς κρυστάλλους όπως και στους ημιαγωγούς, με εισαγωγή ιχνοστοιχείων. Επιπλέον, όπως και τα ολοκληρωμένα κυκλώματα δε χρειάζεται να είναι τρισδιάστατος. Οι δύο διαστάσεις αρκούν.

Σήμερα, δεκάδες εταιρίες φωτονικής έχουν κάνει την εμφάνισή τους, μερικές απ' αυτές με ιδρυτές τους πρωτοπόρους του κλάδου. Αν και ακόμα δεν έχουν έτοιμα προϊόντα, λένε ότι βρίσκονται στη φάση της τυποποίησης και τα πρώτα φωτονικά κυκλώματα, εκτός απροόπτου, θα εμφανιστούν πριν από το 2005.