Народилася найменша у світі кремнієва порожнина, що вловлює світло: самозбірка на атомному рівні генерує квантові джерела світла

Підвищення сили взаємодії між світлом і речовиною для створення кращих фотодетекторів або квантових джерел світла є ключовою метою квантової оптики та фотоніки.
І найкращий спосіб зробити це — використовувати оптичні резонатори, які зберігають світло протягом тривалого періоду часу, щоб їх взаємодія з речовиною стала сильнішою. Якщо резонатор також дуже компактний, стискаючи світло в дуже малу область простору, взаємодія додатково посилюється. В ідеальному резонаторі область розміром з атом може зберігати світло протягом тривалого часу.
Проблема мініатюризації резонатора
Десятиліттями інженери та фізики стикалися з проблемою створення невеликих оптичних резонаторів без шкоди для їх продуктивності, подібно до того, як створюють малі напівпровідникові пристрої. Дорожня карта напівпровідникової промисловості на наступні 15 років передбачає, що найменша можлива ширина напівпровідникової структури становитиме не менше 8 нм, що є шириною десятків атомів.
Описані самозбірні порожнини можна інтегрувати у більші самозбірні вузли для маршрутизації світла навколо оптичного чіпа. На малюнку показано оптичний резонатор, вбудований у схему, що містить кілька самозбірних компонентів.
Новий підхід долає екстремальні умови
Минулого року доцент Серен Стоббе з DTU Electro та його колеги опублікували нову статтю в журналі Nature, в якій вони продемонстрували 8 нм порожнини, але тепер вони запропонували та продемонстрували новий метод створення самозбірних порожнин із повітряними пустотами на масштаб кількох атомів. Їх стаття «Самоорганізовані фотонні порожнини з обмеженнями атомного масштабу» детально описує висновки, опубліковані в номері Nature за 6 грудня.
У цьому експерименті дві половини кремнієвої конструкції були «підвішені» на пружині, і на першому етапі кремнієвий пристрій був міцно прикріплений до шару скла. Пристрій було виготовлено за традиційною напівпровідниковою технологією, тому відстань між двома половинками становила лише кілька десятків нанометрів. Після того, як скло було вибірково протравлено, конструкція звільняється, і тепер вона просто підтримується пружиною.
Оскільки дві частини тісно пов’язані, поверхневі сили змушують їх притягувати одна одну. Результатом є самозібраний резонатор із кремнієвими дзеркалами, що оточують проміжки у формі метелика в атомному масштабі, який був створений шляхом ретельного створення структури кремнієвої структури.
Дослідники все ще далекі від повного самостійного створення схеми. Але їм вдалося поєднати два підходи, які досі рухалися паралельними шляхами, щоб створити кремнієвий резонатор, який ніколи раніше не був мініатюрним.
Прогрес у напівпровідникових технологіях на основі кремнію став можливим завдяки одному конкретному підходу, відомому як «метод зверху вниз». Інший підхід відомий як технологія «знизу вгору»: спроба змусити нанотехнологічні системи збиратися самостійно. Ключ до їхнього дослідження полягає в поєднанні цих двох підходів.
Дослідження демонструє життєздатну техніку для зв’язку двох нанотехнологічних підходів шляхом використання нового покоління методів виготовлення, які поєднують атомний розмір, запропонований самоскладанням, із масштабованістю традиційних напівпровідників.
Виготовляючи фотонні порожнини, дослідники змогли обмежити фотони в настільки крихітних повітряних проміжках, що їх неможливо було точно виміряти навіть за допомогою трансмісійного електронного мікроскопа. Однак найменший, який вони створили, мав розмір лише 1-3 атомів кремнію, встановивши новий рекорд для малого об’єму кремнієвих порожнин, що вловлюють світло.
Нам не потрібно потім знаходити ці порожнини та вставляти їх в іншу архітектуру мікросхеми", - сказав Стоббе. Це також неможливо, оскільки вони дуже маленькі. Іншими словами, ми створюємо щось у масштабі атома, який був вставлений у макроскопічне коло. Ми дуже раді цьому новому напрямку досліджень, і попереду ще багато роботи».