Ett centralt mål inom kvantoptik och fotonik är att öka styrkan i samspelet mellan ljus och materia för att producera till exempel bättre fotodetektorer eller kvantljuskällor. Det bästa sättet att göra det är att använda optiska resonatorer som lagrar ljus under lång tid, vilket gör att det interagerar starkare med materia. Om resonatorn också är mycket liten, så att ljuset pressas in i ett litet område av rymden, förstärks interaktionen ytterligare. Den idealiska resonatorn skulle lagra ljus under lång tid i ett område med storleken av en enda atom.
Fysiker och ingenjörer har kämpat i årtionden med hur små optiska resonatorer kan göras utan att göra dem väldigt "förlustiga", vilket motsvarar att fråga hur liten man kan göra en halvledarenhet. Halvledarindustrins färdplan för de kommande 15 åren förutspår att minsta möjliga bredd på en halvledarstruktur kommer att vara inte mindre än 8 nm, vilket är flera tiotals atomer brett.
Teamet bakom en ny uppsats, docent Søren Stobbe och hans kollegor vid DTU Electro, demonstrerade 8 nm kaviteter förra året, men nu föreslår och demonstrerar de ett nytt tillvägagångssätt för att tillverka en självmonterande kavitet med ett lufthålrum i skalan av en få atomer. Deras artikel, "Self-assembled photonic cavities with atomic-scale confinement," som beskriver resultaten publiceras i Nature .
För att kort förklara experimentet är två halvor av kiselstrukturer upphängda på fjädrar, även om kiselanordningen i det första steget är ordentligt fastsatt på ett lager av glas. Enheterna är tillverkade med konventionell halvledarteknik, så de två halvorna är några tiotals nanometer från varandra.
Vid selektiv etsning av glaset frigörs strukturen och hängs nu bara upp av fjädrarna, och eftersom de två halvorna är tillverkade så nära varandra drar de till sig på grund av ytkrafter. Genom att noggrant konstruera utformningen av kiselstrukturerna blir resultatet en självmonterad resonator med flugaformade luckor på atomär skala omgiven av kiselspeglar.
"Vi är långt ifrån en krets som bygger sig själv helt. Men vi har lyckats konvergera två tillvägagångssätt som hittills har färdats längs parallella spår. Och det gjorde det möjligt för oss att bygga en kiselresonator med aldrig tidigare skådad miniatyrisering", säger Søren Stobbe.
Ett tillvägagångssätt – uppifrån och ner – ligger bakom den spektakulära utveckling vi har sett med kiselbaserade halvledarteknologier. Här, grovt uttryckt, går man från ett kiselblock och jobbar med att göra nanostrukturer av dem. Det andra tillvägagångssättet – bottom-up-metoden – är där man försöker få ett nanoteknologiskt system att montera sig. Det syftar till att efterlikna biologiska system, såsom växter eller djur, byggda genom biologiska eller kemiska processer.
Dessa två tillvägagångssätt är själva kärnan i vad som definierar nanoteknik. Men problemet är att dessa två tillvägagångssätt hittills varit bortkopplade:Halvledare är skalbara men kan inte nå atomskalan, och även om självmonterade strukturer länge har fungerat i atomskala, erbjuder de ingen arkitektur för sammankopplingarna till den yttre världen.
"Det intressanta skulle vara om vi kunde producera en elektronisk krets som byggde sig själv - precis som vad som händer med människor när de växer men med oorganiska halvledarmaterial. Det skulle vara sann hierarkisk självmontering", säger Guillermo Arregui, som var medövervakare projektet.
"Vi använder det nya självmonterande konceptet för fotoniska resonatorer, som kan användas inom elektronik, nanorobotik, sensorer, kvantteknik och mycket mer. Då skulle vi verkligen kunna ta tillvara den fulla potentialen av nanoteknik. Forskarsamhället är många genombrott från att förverkliga den visionen, men jag hoppas att vi har tagit de första stegen."
Konvergerande tillvägagångssätt
Förutsatt att en kombination av de två tillvägagångssätten är möjlig, satte teamet vid DTU Electro för att skapa nanostrukturer som överträffar gränserna för konventionell litografi och etsning trots att de inte använder något annat än konventionell litografi och etsning. Deras idé var att använda två ytkrafter, nämligen Casimir-kraften för att attrahera de två halvorna och van der Waals-kraften för att få dem att hålla ihop. Dessa två krafter har sina rötter i samma underliggande effekt:kvantfluktuationer.
Forskarna gjorde fotoniska håligheter som begränsar fotoner till luftgap så små att det var omöjligt att bestämma deras exakta storlek, även med ett transmissionselektronmikroskop. Men de minsta de byggde är av storleken 1–3 kiselatomer.
"Även om självmonteringen tar hand om att nå dessa extrema dimensioner är kraven på nanotillverkningen inte mindre extrema. Till exempel är strukturella brister typiskt på en skala av flera nanometer. Ändå, om det finns defekter i denna skala, två halvor kommer bara att mötas och röra vid de tre största defekterna. Vi tänjer verkligen på gränserna här, även om vi tillverkar våra enheter i ett av de allra bästa universitetsrenrummen i världen, säger Ali Nawaz Babar, doktor. student vid NanoPhoton Center of Excellence vid DTU Electro och första författare till den nya uppsatsen.
"Fördelen med självmontering är att du kan göra små saker. Du kan bygga unika material med fantastiska egenskaper. Men idag kan du inte använda den till något du ansluter till ett eluttag. Du kan inte ansluta den till resten av världen Så du behöver all den vanliga halvledarteknologin för att göra kablarna eller vågledarna för att ansluta det du själv har monterat till den yttre världen."
Uppsatsen visar ett möjligt sätt att koppla de två nanoteknologiska tillvägagångssätten genom att använda en ny generation tillverkningsteknik som kombinerar de atomära dimensionerna som möjliggörs av självmontering med skalbarheten hos halvledare tillverkade med konventionella metoder.
"Vi behöver inte gå in och hitta dessa håligheter efteråt och sätta in dem i en annan chiparkitektur. Det skulle också vara omöjligt på grund av den lilla storleken. Med andra ord bygger vi något i skalan av en atom som redan är insatt i en makroskopisk krets Vi är mycket entusiastiska över denna nya forskningslinje, och mycket arbete ligger framför oss, säger Søren Stobbe.
Mer information: Søren Stobbe, Självmonterade fotoniska kaviteter med inneslutning i atomskala, Nature (2023). DOI:10.1038/s41586-023-06736-8. www.nature.com/articles/s41586-023-06736-8
Journalinformation: Natur
Tillhandahålls av Danmarks Tekniska Universitet
