Megszületett a világ legkisebb fénybefogó szilíciumürege: az atomi szintű önszerelődés kvantumfényforrásokat generál

A fény és az anyag közötti kölcsönhatás erősségének növelése jobb fotodetektorok vagy kvantumfényforrások létrehozása érdekében a kvantumoptika és fotonika kulcsfontosságú célja.
Ennek legjobb módja az optikai rezonátorok használata, amelyek hosszú ideig tárolják a fényt, így az anyaggal való kölcsönhatásuk erősebbé válik. Ha a rezonátor is nagyon kompakt, és a fényt a tér nagyon kis tartományába tömöríti, a kölcsönhatás tovább erősödik. A tökéletes rezonátorban egy atom méretű tartomány hosszú ideig képes tárolni a fényt.
A rezonátor miniatürizálásának kihívása
A mérnökök és fizikusok évtizedek óta küzdenek azzal a problémával, hogy hogyan készítsenek kis optikai rezonátorokat teljesítményük feláldozása nélkül, hasonlóan ahhoz, ahogyan kis félvezető eszközöket kell megépíteni. A félvezetőipar következő 15 évre szóló ütemterve azt jósolja, hogy egy félvezető szerkezet lehető legkisebb szélessége nem lesz kevesebb, mint 8 nm, ami több tíz atom szélessége.
A leírt önállóan összeszerelt üregek nagyobb, önállóan összeszerelt szerelvényekbe integrálhatók, hogy a fényt optikai chip körül irányítsák. Az ábrán egy optikai üreg látható egy áramkörbe beágyazva, amely több önállóan összeszerelt alkatrészt tartalmaz.
Az új megközelítés legyőzi az extrém körülményeket
Tavaly a DTU Electro docense, S?ren Stobbe és kollégái új tanulmányt publikáltak a Nature folyóiratban, amelyben 8 nm-es üregeket mutattak be, most azonban új módszert javasoltak és bemutattak önösszeszerelt üregek létrehozására, amelyekben légüregek vannak. néhány atom léptéke. Az "Önszerelt fotonikus üregek atomi léptékű korlátokkal" című tanulmányuk részletezi az eredményeket, amelyek a Nature december 6-i számában jelentek meg.
Ebben a kísérletben egy szilícium szerkezet két felét "felfüggesztettek" egy rugóra, és első lépésben a szilícium eszközt szilárdan egy üvegréteghez rögzítették. A készülék hagyományos félvezető technológiával készült, így a két fél közötti távolság mindössze néhány tíz nanométer volt. Miután az üveget szelektíven marattuk, a szerkezet kioldódik, és most egyszerűen megtámasztja a rugó.
Mivel a két rész szorosan összefügg, a felületi erők vonzzák egymást. Az eredmény egy önállóan összeszerelt rezonátor, amelynek szilícium tükrei a csokornyakkendő alakú réseket veszik körül atomi léptékben, amelyet a szilícium szerkezet szerkezetének gondos megmunkálásával hoztak létre.
A kutatók még mindig messze vannak a teljesen önkonstruáló áramkörtől. De sikerült összeolvasztani két olyan megközelítést, amelyek eddig párhuzamos pályákon haladtak, hogy olyan szilíciumrezonátort hozzanak létre, amelyet korábban soha nem miniatürizáltak.
A szilícium alapú félvezető technológia fejlődését egy sajátos megközelítés tette lehetővé, az úgynevezett "top-down módszer". Egy másik megközelítést alulról felfelé építkező technológiának neveznek: a nanotechnológiai rendszerek önmaguk összeállítására való törekvés. Kutatásuk kulcsa e két megközelítés kombinálásában rejlik.
A tanulmány életképes technikát mutat be a két nanotechnológiai megközelítés összekapcsolására azáltal, hogy olyan új generációs gyártási technikákat alkalmaz, amelyek egyesítik az önszerelvény által kínált atomi méretet a hagyományosan előállított félvezetők méretezhetőségével.
Fotonikus üregek készítésével a kutatók olyan apró légrésbe tudták zárni a fotonokat, hogy azokat még transzmissziós elektronmikroszkóppal sem lehetett pontosan megmérni. Azonban a legkisebb, amit építettek, csak 1-3 szilícium atom volt, ami új rekordot döntött a kis mennyiségű fénybefogó szilícium üregek tekintetében.
Nem kell később megkeresnünk ezeket az üregeket, és beilleszteni őket egy másik chip architektúrába" - mondta Stobbe. Ez sem lehetséges, mert olyan kicsi. Más szóval, valami olyan léptékű építünk, mint egy behelyezett atom. egy makroszkopikus körbe. Nagyon izgatottak vagyunk a kutatás ezen új iránya miatt, és sok munka áll még előttünk."