Родена е най-малката в света улавяща светлината силиконова кухина: Самосглобяването на атомно ниво генерира квантови източници на светлина

Увеличаването на силата на взаимодействието между светлината и материята, за да се произведат по-добри фотодетектори или квантови източници на светлина, е ключова цел на квантовата оптика и фотониката.
И най-добрият начин да направите това е да използвате оптични резонатори, които съхраняват светлината за дълги периоди от време, така че тяхното взаимодействие с материята да стане по-силно. Ако резонаторът също е много компактен, компресирайки светлината в много малка област от пространството, взаимодействието се усилва допълнително. В перфектния резонатор област с размерите на атом може да съхранява светлина за дълги периоди от време.
Предизвикателството на миниатюризацията на резонатора
В продължение на десетилетия инженери и физици се борят с проблема как да направят малки оптични резонатори, без да жертват тяхната производителност, подобно на това как трябва да се конструират малки полупроводникови устройства. Пътната карта на полупроводниковата индустрия за следващите 15 години предвижда, че най-малката възможна ширина на полупроводникова структура ще бъде не по-малко от 8 nm, което е ширината на десетки атоми.
Описаните самосглобяеми кухини могат да бъдат интегрирани в по-големи самосглобяеми възли за насочване на светлина около оптичен чип. Фигурата показва оптична кухина, вградена във верига, съдържаща множество самосглобени компоненти.
Нов подход преодолява екстремни условия
Миналата година доцентът S?ren Stobbe от DTU Electro и колегите му публикуваха нова статия в списанието Nature, в която демонстрираха 8 nm кухини, но сега те предложиха и демонстрираха нов метод за създаване на самосглобени кухини с въздушни кухини върху мащаба на няколко атома. Техният документ, "Самоорганизиращи се фотонни кухини с ограничения в атомен мащаб", описва констатациите, публикувани в броя на 6 декември на Nature.
В този експеримент две половини на силиконова структура бяха "окачени" на пружина и в първата стъпка силиконовото устройство беше здраво закрепено към слой стъкло. Устройството е направено с помощта на конвенционална полупроводникова технология, така че разстоянието между двете половини е само няколко десетки нанометра. След като стъклото е селективно гравирано, структурата се освобождава и сега просто се поддържа от пружината.
Тъй като двете части са тясно свързани, повърхностните сили ги карат да се привличат една друга. Резултатът е самосглобен резонатор със силиконови огледала, заобикалящи празнини във формата на папийонка в атомния мащаб, който е създаден чрез внимателно изработване на структурата на силиконовата структура.
Изследователите все още са далеч от напълно самоконструираща се верига. Но те успяха да слеят два подхода, които досега са пътували по успоредни пътища, за да създадат силициев резонатор, който никога преди не е бил миниатюризиран.
Напредъкът в базираната на силиций полупроводникова технология стана възможен благодарение на един конкретен подход, известен като "метод отгоре надолу". Друг подход е известен като технология "отдолу нагоре": опит да накараш нанотехнологичните системи да се сглобяват сами. Ключът към тяхното изследване се крие в комбинирането на тези два подхода.
Проучването демонстрира жизнеспособна техника за свързване на двата нанотехнологични подхода чрез използване на ново поколение производствени техники, които комбинират атомния размер, предлаган от самосглобяването, с мащабируемостта на конвенционално произведени полупроводници.
Чрез изработването на фотонни кухини изследователите са успели да ограничат фотоните във въздушни междини, толкова малки, че не могат да бъдат точно измерени дори с трансмисионен електронен микроскоп. Но най-малкият, който са изградили, е с размер само 1-3 силициеви атома, поставяйки нов рекорд за малък обем силициеви кухини, улавящи светлината.
Не е необходимо да намираме тези кухини по-късно и да ги вмъкваме в друга архитектура на чип", каза Стобе. Това също не е възможно, защото е толкова малко. С други думи, ние изграждаме нещо в мащаба на атом, който е бил вмъкнат в макроскопична верига. Ние сме много развълнувани от тази нова посока на изследване и ни предстои много работа."