Rođena najmanja silikonska šupljina koja hvata svjetlost: samosastavljanje na atomskom nivou generiše kvantne izvore svjetlosti

Povećanje snage interakcije između svjetlosti i materije kako bi se proizveli bolji fotodetektori ili kvantni izvori svjetlosti ključni je cilj kvantne optike i fotonike.
A najbolji način da to učinite je korištenje optičkih rezonatora koji pohranjuju svjetlost na duže vremenske periode kako bi njihova interakcija s materijom postala jača. Ako je i rezonator vrlo kompaktan, komprimirajući svjetlost u vrlo mali prostor prostora, interakcija se dodatno pojačava. U savršenom rezonatoru, područje veličine atoma može pohraniti svjetlost na duži vremenski period.
Izazov minijaturizacije rezonatora
Decenijama su se inženjeri i fizičari borili s problemom kako napraviti male optičke rezonatore bez žrtvovanja njihovih performansi, slično kao što se moraju konstruirati mali poluvodički uređaji. Mapa puta industrije poluprovodnika za narednih 15 godina predviđa da najmanja moguća širina poluvodičke strukture neće biti manja od 8 nm, što je širina desetina atoma.
Opisane šupljine koje se samostalno sklapaju mogu se integrirati u veće samosastavljene sklopove za usmjeravanje svjetlosti oko optičkog čipa. Slika prikazuje optičku šupljinu ugrađenu u kolo koje sadrži više komponenti koje se sami sklapaju.
Novi pristup prevazilazi ekstremne uslove
Prošle godine, vanredni profesor DTU Electro S?ren Stobbe i njegove kolege objavili su novi rad u časopisu Nature u kojem su demonstrirali šupljine od 8 nm, ali sada su predložili i demonstrirali novu metodu za stvaranje samosastavljenih šupljina sa zračnim šupljinama na skala od nekoliko atoma. Njihov rad, "Samo-sastavljene fotonske šupljine sa ograničenjima atomske skale," detaljno opisuje nalaze, objavljene u izdanju časopisa Nature od 6. decembra.
U ovom eksperimentu dvije polovice silikonske strukture bile su "ovješene" na oprugu, a u prvom koraku silikonski uređaj je bio čvrsto pričvršćen za sloj stakla. Uređaj je napravljen upotrebom konvencionalne poluvodičke tehnologije, tako da je razmak između dvije polovice bio samo nekoliko desetina nanometara. Kada je staklo selektivno urezano, struktura se oslobađa i sada je jednostavno poduprta oprugom.
Budući da su dva dijela usko povezana, površinske sile uzrokuju da se međusobno privlače. Rezultat je samosastavljeni rezonator sa silikonskim ogledalima koji okružuju praznine u obliku leptir mašne na atomskoj skali, koji je stvoren pažljivom izradom strukture silikonske strukture.
Istraživači su još uvijek daleko od potpuno samokonstruirajućeg kola. Ali uspjeli su spojiti dva pristupa koja su do sada putovala paralelnim stazama kako bi stvorili silikonski rezonator koji nikada prije nije bio minijaturiziran.
Napredak u tehnologiji poluprovodnika zasnovanoj na silicijumu omogućen je jednim posebnim pristupom, poznatim kao "metoda odozgo prema dolje". Drugi pristup je poznat kao tehnologija "odozdo prema gore": pokušava da se nanotehnološki sistemi sami sastave. Ključ njihovog istraživanja leži u kombinovanju ova dva pristupa.
Studija pokazuje održivu tehniku ​​za povezivanje dva pristupa nanotehnologiji upotrebom nove generacije tehnika proizvodnje koje kombinuju veličinu atoma koju nudi samosastavljanje sa skalabilnošću konvencionalno proizvedenih poluprovodnika.
Izradom fotonskih šupljina, istraživači su uspjeli ograničiti fotone u vazdušne praznine tako male da se ne mogu precizno izmjeriti, čak ni transmisijskim elektronskim mikroskopom. Međutim, najmanji koji su napravili je bio samo 1-3 atoma silicijuma, postavljajući novi rekord za malu količinu silikonskih šupljina koje hvataju svjetlost.
Ne moramo kasnije da pronađemo ove šupljine i da ih ubacimo u drugu arhitekturu čipa", rekao je Stobbe. To takođe nije moguće jer je tako mali. Drugim rečima, gradimo nešto na skali atoma koji je ubačen u makroskopsko kolo. Veoma smo uzbuđeni zbog ovog novog smjera istraživanja, a pred nama je puno posla."