Verdens minste lysfangende silisiumhulrom Født: Selvmontering på atomnivå genererer kvantelyskilder

Å øke styrken på samspillet mellom lys og materie for å produsere bedre fotodetektorer eller kvantelyskilder er et sentralt mål for kvanteoptikk og fotonikk.
Og den beste måten å gjøre det på er å bruke optiske resonatorer som lagrer lys i lange perioder slik at deres interaksjon med materie blir sterkere. Hvis resonatoren også er veldig kompakt, og komprimerer lyset til et veldig lite område av rommet, forsterkes interaksjonen ytterligere. I den perfekte resonatoren kan et område på størrelse med et atom lagre lys i lange perioder.
Utfordringen med resonatorminiatyrisering
I flere tiår har ingeniører og fysikere slitt med problemet med hvordan man kan lage små optiske resonatorer uten å ofre ytelsen, lik hvordan små halvlederenheter må konstrueres. Halvlederindustriens veikart for de neste 15 årene spår at den minste mulige bredden på en halvlederstruktur vil være ikke mindre enn 8 nm, som er bredden på titalls atomer.
De selvmonterte hulrommene som er beskrevet kan integreres i større selvmonterte sammenstillinger for å dirigere lys rundt en optisk brikke. Figuren viser et optisk hulrom innebygd i en krets som inneholder flere selvmonterte komponenter.
Ny tilnærming overvinner ekstreme forhold
I fjor publiserte DTU Electros førsteamanuensis S?ren Stobbe og hans kolleger en ny artikkel i tidsskriftet Nature der de demonstrerte 8 nm hulrom, men nå har de foreslått og demonstrert en ny metode for å lage selvmonterte hulrom med lufthull på skalaen til noen få atomer. Papiret deres, "Selvmonterte fotoniske hulrom med atomskalabegrensninger," beskriver funnene, publisert i 6. desember-utgaven av Nature.
I dette forsøket ble to halvdeler av en silisiumstruktur "hengt opp" fra en fjær, og i første trinn ble silisiumanordningen festet godt til et glasslag. Enheten ble laget ved bruk av konvensjonell halvlederteknologi, så avstanden mellom de to halvdelene var bare noen få titalls nanometer. Når glasset er selektivt etset, frigjøres strukturen og den støttes nå ganske enkelt av fjæren.
Siden de to delene er tett forbundet, får overflatekrefter dem til å tiltrekke seg hverandre. Resultatet er en selvmontert resonator med silisiumspeil som omgir sløyfeformede hull på atomskalaen, som ble skapt ved å nøye utforme strukturen til silisiumstrukturen.
Forskerne er fortsatt langt fra en fullstendig selvbyggende krets. Men de har klart å smelte sammen to tilnærminger som så langt har gått langs parallelle spor for å lage en silisiumresonator som aldri har blitt miniatyrisert før.
Fremskritt innen silisiumbasert halvlederteknologi har blitt muliggjort av en spesiell tilnærming, kjent som "top-down-metoden". En annen tilnærming er kjent som "bottom-up"-teknologi: å prøve å få nanoteknologiske systemer til å sette seg sammen. Nøkkelen til forskningen deres ligger i å kombinere disse to tilnærmingene.
Studien demonstrerer en levedyktig teknikk for å koble de to nanoteknologiske tilnærmingene ved å bruke en ny generasjon fabrikasjonsteknikker som kombinerer atomstørrelsen som tilbys av selvmontering med skalerbarheten til konvensjonelt produserte halvledere.
Ved å lage fotoniske hulrom, klarte forskerne å begrense fotoner i luftspalter så små at de ikke kunne måles nøyaktig, selv med et transmisjonselektronmikroskop. Det minste de bygde var imidlertid bare 1-3 silisiumatomer i størrelse, og satte ny rekord for et lite volum av lysfangende silisiumhulrom.
Vi trenger ikke finne disse hulrommene senere og sette dem inn i en annen brikkearkitektur," sa Stobbe. Det er heller ikke mulig fordi det er så lite. Med andre ord bygger vi noe på skalaen til et atom som har blitt satt inn. inn i et makroskopisk kretsløp. Vi er veldig begeistret for denne nye forskningsretningen, og det er mye arbeid foran oss."