Världens minsta ljusfångande kiselhålighet Född: Självmontering på atomnivå genererar kvantljuskällor

Att öka styrkan i interaktionen mellan ljus och materia för att producera bättre fotodetektorer eller kvantljuskällor är ett nyckelmål för kvantoptik och fotonik.
Och det bästa sättet att göra det är att använda optiska resonatorer som lagrar ljus under långa tidsperioder så att deras interaktion med materia blir starkare. Om resonatorn också är mycket kompakt och komprimerar ljuset till ett mycket litet område av rymden, förstärks interaktionen ytterligare. I den perfekta resonatorn kan en region som är lika stor som en atom lagra ljus under långa tidsperioder.
Utmaningen med resonatorminiatyrisering
I decennier har ingenjörer och fysiker brottats med problemet med hur man gör små optiska resonatorer utan att offra deras prestanda, liknande hur små halvledarenheter måste konstrueras. Halvledarindustrins färdplan för de kommande 15 åren förutspår att minsta möjliga bredd på en halvledarstruktur kommer att vara inte mindre än 8 nm, vilket är bredden på tiotals atomer.
De beskrivna självmonterade kaviteterna kan integreras i större självmonterade sammansättningar för att dirigera ljus runt ett optiskt chip. Figuren visar en optisk kavitet inbäddad i en krets som innehåller flera självmonterade komponenter.
Nytt tillvägagångssätt övervinner extrema förhållanden
Förra året publicerade DTU Electros docent S?ren Stobbe och hans kollegor en ny artikel i tidskriften Nature där de demonstrerade 8 nm kaviteter, men nu har de föreslagit och demonstrerat en ny metod för att skapa självmonterade kaviteter med lufthål på skalan av några få atomer. Deras papper, "Self-assembled photonic cavities with atomic-scale constraints," beskriver resultaten, publicerade i 6 december-numret av Nature.
I detta experiment "upphängdes" två halvor av en kiselstruktur från en fjäder, och i det första steget fästes kiselanordningen ordentligt i ett lager av glas. Enheten tillverkades med hjälp av konventionell halvledarteknik, så avståndet mellan de två halvorna var bara några tiotals nanometer. När glaset har etsat selektivt frigörs strukturen och den stöds nu helt enkelt av fjädern.
Eftersom de två delarna är nära sammankopplade gör ytkrafter att de attraherar varandra. Resultatet är en självmonterad resonator med kiselspeglar som omger flugor formade luckor i atomär skala, som skapades genom att noggrant utforma strukturen av kiselstrukturen.
Forskarna är fortfarande långt ifrån en helt självbyggande krets. Men de har lyckats smälta samman två tillvägagångssätt som hittills har färdats längs parallella spår för att skapa en kiselresonator som aldrig tidigare har miniatyriserats.
Framsteg inom kiselbaserad halvledarteknologi har möjliggjorts genom ett särskilt tillvägagångssätt, känd som "top-down-metoden". Ett annat tillvägagångssätt är känt som "bottom-up"-teknik: att försöka få nanotekniksystem att montera sig själva. Nyckeln till deras forskning ligger i att kombinera dessa två tillvägagångssätt.
Studien visar en gångbar teknik för att koppla samman de två nanoteknologiska tillvägagångssätten genom att använda en ny generation tillverkningstekniker som kombinerar atomstorleken som erbjuds av självmontering med skalbarheten hos konventionellt producerade halvledare.
Genom att tillverka fotoniska kaviteter kunde forskarna begränsa fotoner i luftgap så små att de inte kunde mätas exakt, ens med ett transmissionselektronmikroskop. Den minsta de byggde var dock bara 1-3 kiselatomer i storlek, vilket satte ett nytt rekord för en liten volym av ljusfångande kiselhåligheter.
Vi behöver inte hitta dessa håligheter senare och infoga dem i en annan chiparkitektur", sa Stobbe. Det är inte heller möjligt eftersom det är så litet. Med andra ord bygger vi något i skalan av en atom som har satts in. in i en makroskopisk krets. Vi är mycket glada över denna nya forskningsriktning, och det finns mycket arbete framför oss."