Sündis maailma väikseim valgust püüdev räniõõnsus: aatomitasandil iseseisev kokkupanek genereerib kvantvalgusallikaid

Valguse ja aine vahelise interaktsiooni tugevuse suurendamine paremate fotodetektorite või kvantvalgusallikate tootmiseks on kvantoptika ja fotoonika põhieesmärk.
Ja parim viis selleks on kasutada optilisi resonaatoreid, mis salvestavad valgust pikka aega, et nende koostoime ainega tugevneks. Kui resonaator on ka väga kompaktne, surudes valguse väga väikesesse ruumi piirkonda, võimendub interaktsioon veelgi. Ideaalses resonaatoris suudab aatomisuurune piirkond valgust pikka aega säilitada.
Resonaatori miniaturiseerimise väljakutse
Aastakümneid on insenerid ja füüsikud maadelnud probleemiga, kuidas teha väikeseid optilisi resonaatoreid ilma nende jõudlust ohverdamata, sarnaselt väikeste pooljuhtseadmete ehitamisega. Pooljuhtide tööstuse tegevuskava järgmiseks 15 aastaks ennustab, et pooljuhtstruktuuri väikseim võimalik laius on vähemalt 8 nm, mis on kümnete aatomite laius.
Kirjeldatud isemonteeritud õõnsusi saab integreerida suurematesse isekoostatud sõlmedesse valguse suunamiseks ümber optilise kiibi. Joonisel on kujutatud optilist õõnsust, mis on integreeritud ahelasse, mis sisaldab mitut isemonteeritud komponenti.
Uus lähenemine ületab äärmuslikud tingimused
Eelmisel aastal avaldasid DTU Electro dotsent S?ren Stobbe ja tema kolleegid ajakirjas Nature uue artikli, milles nad demonstreerisid 8 nm suurusi õõnsusi, kuid nüüd on nad välja pakkunud ja demonstreerinud uut meetodit isekoostatud õõnsuste loomiseks, milles on õhutühimed. mõne aatomi skaala. Nende artikkel "Isekoostatud fotoonilised õõnsused koos aatomiskaala piirangutega" kirjeldab leide, mis avaldati 6. detsembri ajakirjas Nature.
Selles katses "riputati" vedru külge kaks poolikut ränistruktuuri ja esimeses etapis kinnitati räniseade kindlalt klaasikihi külge. Seade valmistati tavapärast pooljuhttehnoloogiat kasutades, mistõttu oli kahe poole vaheline kaugus vaid mõnikümmend nanomeetrit. Kui klaas on valikuliselt söövitatud, vabaneb konstruktsioon ja see on nüüd lihtsalt vedru poolt toestatud.
Kuna need kaks osa on omavahel tihedalt seotud, tõmbavad pinnajõud üksteist ligi. Tulemuseks on aatomi skaalal kikilipsukujulisi tühikuid ümbritsevate ränipeeglitega isemonteeritud resonaator, mis loodi räni struktuuri hoolikalt meisterdades.
Teadlased on veel kaugel täielikult isekonstrueerivast vooluringist. Kuid neil on õnnestunud ühendada kaks lähenemist, mis on seni liikunud mööda paralleelseid radu, et luua räniresonaator, mida pole kunagi varem miniatuurseks muudetud.
Ränipõhise pooljuhttehnoloogia edusammud on saanud võimalikuks tänu ühele konkreetsele lähenemisele, mida tuntakse "ülalt-alla meetodina". Teine lähenemisviis on tuntud kui "alt-üles" tehnoloogia: katse panna nanotehnoloogiasüsteemid ise kokku panema. Nende uurimistöö võti seisneb nende kahe lähenemisviisi kombineerimises.
Uuring demonstreerib elujõulist tehnikat kahe nanotehnoloogia lähenemisviisi ühendamiseks, kasutades uue põlvkonna tootmistehnikaid, mis ühendavad isekoostumise pakutava aatomi suuruse ja tavapäraselt toodetud pooljuhtide mastaapsuse.
Fotooniliste õõnsuste valmistamisega suutsid teadlased piirata footonid nii pisikestesse õhuvahedesse, et neid ei olnud võimalik täpselt mõõta isegi ülekandeelektronmikroskoobiga. Väikseim, mille nad ehitasid, oli aga vaid 1-3 räni aatomit, mis püstitas uue rekordi väikese mahu valgust püüdvate räniõõnte osas.
Me ei pea neid õõnsusi hiljem üles otsima ja teise kiibiarhitektuuri sisestama," ütles Stobbe. See pole samuti võimalik, kuna see on nii väike. Teisisõnu ehitame midagi sisestatud aatomi skaalal. makroskoopiliseks vooluringiks. Oleme selle uue uurimissuuna üle väga põnevil ja ees on palju tööd."