Najmniejsza na świecie krzemowa wnęka wychwytująca światło: samoorganizacja na poziomie atomowym generuje kwantowe źródła światła

Zwiększanie siły interakcji między światłem a materią w celu wyprodukowania lepszych fotodetektorów lub kwantowych źródeł światła jest kluczowym celem optyki kwantowej i fotoniki.
Najlepszym sposobem na osiągnięcie tego jest użycie rezonatorów optycznych, które przechowują światło przez długi czas, dzięki czemu ich interakcja z materią staje się silniejsza. Jeśli rezonator jest również bardzo zwarty i kompresuje światło w bardzo małym obszarze przestrzeni, interakcja ulega dalszemu wzmocnieniu. W idealnym rezonatorze obszar wielkości atomu może przechowywać światło przez długi czas.
Wyzwanie miniaturyzacji rezonatorów
Przez dziesięciolecia inżynierowie i fizycy zmagali się z problemem wytwarzania małych rezonatorów optycznych bez poświęcania ich wydajności, podobnie jak w przypadku małych urządzeń półprzewodnikowych. Plan działania przemysłu półprzewodników na następne 15 lat przewiduje, że najmniejsza możliwa szerokość struktury półprzewodnikowej będzie wynosić nie mniej niż 8 nm, czyli szerokość kilkudziesięciu atomów.
Opisane samoorganizujące się wnęki można zintegrować z większymi, samoorganizującymi się zespołami w celu kierowania światła wokół chipa optycznego. Rysunek przedstawia wnękę optyczną osadzoną w obwodzie zawierającym wiele samoorganizujących się elementów.
Nowe podejście pozwala pokonać ekstremalne warunki
W zeszłym roku profesor nadzwyczajny DTU Electro, S?ren Stobbe i jego współpracownicy opublikowali nowy artykuł w czasopiśmie Nature, w którym zademonstrowali wnęki o średnicy 8 nm, ale teraz zaproponowali i zademonstrowali nową metodę tworzenia samoorganizujących się wnęk z pustek powietrznych na skali kilku atomów. Ich artykuł zatytułowany „Samoorganizujące się wnęki fotoniczne z ograniczeniami w skali atomowej” szczegółowo opisuje ustalenia i został opublikowany w czasopiśmie Nature z 6 grudnia.
W tym eksperymencie dwie połówki krzemowej struktury zostały „zawieszone” na sprężynie i w pierwszym etapie krzemowe urządzenie zostało trwale przymocowane do warstwy szkła. Urządzenie wykonano w konwencjonalnej technologii półprzewodnikowej, zatem odległość pomiędzy dwiema połówkami wynosiła zaledwie kilkadziesiąt nanometrów. Po selektywnym wytrawieniu szkła struktura zostaje uwolniona i jest teraz po prostu podtrzymywana przez sprężynę.
Ponieważ te dwie części są ze sobą ściśle powiązane, siły powierzchniowe powodują, że przyciągają się one nawzajem. Rezultatem jest samoorganizujący się rezonator z krzemowymi lustrami otaczającymi szczeliny w kształcie muszki w skali atomowej, który powstał poprzez staranne wykonanie struktury struktury krzemowej.
Naukowcom wciąż daleko do w pełni samokonstruującego się obwodu. Udało im się jednak połączyć dwa podejścia, które do tej pory przebiegały równolegle, aby stworzyć rezonator krzemowy, jakiego nigdy wcześniej nie zminiaturyzowano.
Postęp w technologii półprzewodników na bazie krzemu był możliwy dzięki jednemu szczególnemu podejściu, znanemu jako „metoda odgórna”. Inne podejście znane jest jako technologia „oddolna”: próba spowodowania, aby systemy nanotechnologiczne same się składały. Kluczem do ich badań jest połączenie tych dwóch podejść.
Badanie pokazuje realną technikę łączenia dwóch podejść nanotechnologicznych poprzez zastosowanie nowej generacji technik wytwarzania, które łączą wielkość atomową oferowaną przez samoorganizację ze skalowalnością konwencjonalnie wytwarzanych półprzewodników.
Wytwarzając wnęki fotoniczne, badacze byli w stanie zamknąć fotony w szczelinach powietrznych tak małych, że nie można było ich dokładnie zmierzyć nawet za pomocą transmisyjnego mikroskopu elektronowego. Jednak najmniejszy, jaki zbudowali, miał zaledwie 1-3 atomów krzemu, co ustanowiło nowy rekord w zakresie małej objętości krzemowych wnęk wychwytujących światło.
Nie musimy później znajdować tych wgłębień i wstawiać ich do innej architektury chipa” – powiedział Stobbe. Nie jest to również możliwe, ponieważ są one tak małe. Innymi słowy, budujemy coś w skali atomu, który został wstawiony w obwód makroskopowy. Jesteśmy bardzo podekscytowani tym nowym kierunkiem badań, a przed nami dużo pracy”.