阿拉巴馬州塔斯基基大學的研究團隊最近開發了一種新型的光子晶體（即一種納米結構材料）光帆。這種新型光帆有望解決傳統金屬塗層聚合物太陽光帆的問題，因為這些光帆在加熱時會吸收光線並劣化。當前，大多數太空船依賴化學火箭推進，這需要燃料，而燃料又相對沉重，限制了太空船的有效範圍和大小。相比之下，光帆旨在利用輻射壓推進太空船，通過反射光線來產生推進力。
當強激光照射在反射光帆上時，光子會反彈並推動光帆向前。這種原理可比擬於風推動帆船，只不過這裡的「風」實際上是光子。這一理念是像突破星際計畫（Breakthrough Starshot）或NASA的IKAROS等項目的基礎，這些項目旨在利用光子能量將微型太空船加速至光速的一部分。然而，這類設計通常由薄塑料膜和金屬塗層（通常是鋁）構成。雖然有效，但這些材料會吸收一部分光線，並轉化為熱能。
如果與強大的定向激光結合，這可能導致光帆隨著時間的推移而融化。雖然可以通過增加更多的反射材料來解決這個問題，但這也會增加額外的重量和發射成本。為了解決這個問題，塔斯基基大學的團隊想要探討用不同材料替代金屬塗層的可能性。他們提出使用光子晶體，這些晶體能夠在受到光照射時控制光的運動。
這些光子晶體包含比光波長更小的重複圖案。團隊解釋，這些晶體主要由三個組件組成：首先是具有高折射率的鍺柱，其次是一系列低折射率的空氣孔，最後是一種聚合物基材。整體而言，這種新型納米結構的寬度在約 100 至 400 納米之間，約為人類頭髮厚度的 1/1000。
這種聚合物結構創造了一個光子帶隙，類似於半導體如何阻止某些電子能量，而光子帶隙則可以阻止某些波長的光。實際上，這意味著激光光線會被強烈反射（產生推進力），而來自其他光源（如太陽）的光則會簡單地通過。
在測試中，研究團隊發現一平方米的材料能夠在 1.2 微米波長下實現約 90% 的反射率，這是來自 100 千瓦激光的結果。這對於實驗性推進系統來說已經足夠。這應該能夠持續提供推進力，並在約 1 小時內達到數百米每秒的潛在速度。雖然這還不是星際速度，但這是一個有用的示範。
塔斯基基大學的助理教授Dimitar Dimitrov解釋，通過設計與推進激光頻率對齊的狹窄光子帶隙，提出的光帆可以在保持高反射率的同時，對環境太陽輻射保持大部分透明性。他補充道，這項工作的關鍵貢獻在於展示了構建具有可控納米尺度特徵的多介電光子晶體結構的可行性。結果顯示，這些結構可以被工程化，以結合低質量、強波長選擇性及可擴展的製造潛力。研究結果已發表在《納米光子學期刊》中，供公眾查閱。
