Bowtie-resonatorer, der bygger sig selv, bygger bro mellem nanoskopiske og makroskopiske

Et centralt mål inden for kvanteoptik og fotonik er at øge styrken af ​​samspillet mellem lys og stof for at producere for eksempel bedre fotodetektorer eller kvantelyskilder. Den bedste måde at gøre det på er at bruge optiske resonatorer, der lagrer lys i lang tid, hvilket får det til at interagere stærkere med stof. Hvis resonatoren også er meget lille, således at lyset presses ind i et lille område af rummet, forstærkes interaktionen yderligere. Den ideelle resonator ville lagre lys i lang tid i et område på størrelse med et enkelt atom.

Fysikere og ingeniører har i årtier kæmpet med, hvor små optiske resonatorer kan laves uden at gøre dem meget "tabende", hvilket svarer til at spørge, hvor lille man kan lave en halvlederenhed. Halvlederindustriens køreplan for de næste 15 år forudsiger, at den mindst mulige bredde af en halvlederstruktur vil være ikke mindre end 8 nm, hvilket er flere titusinder af atomer bredt.

Holdet bag et nyt papir, lektor Søren Stobbe og hans kolleger ved DTU Elektro, demonstrerede 8 nm hulrum sidste år, men nu foreslår og demonstrerer de en ny tilgang til at fremstille et selvsamlende hulrum med et lufthulrum på størrelse med en få atomer. Deres papir, "Selvsamlede fotoniske hulrum med indeslutning i atomskala," med detaljerede oplysninger om resultaterne er offentliggjort i Nature .

For kort at forklare eksperimentet er to halvdele af siliciumstrukturer ophængt på fjedre, selvom siliciumanordningen i det første trin er solidt fastgjort til et lag glas. Enhederne er fremstillet ved hjælp af konventionel halvlederteknologi, så de to halvdele er et par tiere nanometer fra hinanden.

Ved selektiv ætsning af glasset frigives strukturen og ophænges nu kun af fjedrene, og fordi de to halvdele er fremstillet så tæt på hinanden, tiltrækker de på grund af overfladekræfter. Ved omhyggeligt at konstruere designet af siliciumstrukturerne er resultatet en selvsamlet resonator med sløjfeformede huller på atomare skala omgivet af siliciumspejle.

"Vi er langt fra et kredsløb, der bygger sig selv fuldstændigt. Men det er lykkedes os at konvergere to tilgange, der hidtil har kørt ad parallelle spor. Og det gav os mulighed for at bygge en siliciumresonator med hidtil uset miniaturisering," siger Søren Stobbe.

To separate tilgange

En tilgang – top-down tilgangen – ligger bag den spektakulære udvikling, vi har set med siliciumbaserede halvlederteknologier. Her går man groft sagt fra en siliciumblok og arbejder på at lave nanostrukturer af dem. Den anden tilgang - bottom-up tilgangen - er, hvor du forsøger at få et nanoteknologisk system til at samle sig selv. Det har til formål at efterligne biologiske systemer, såsom planter eller dyr, bygget gennem biologiske eller kemiske processer.

Disse to tilgange er selve kernen i det, der definerer nanoteknologi. Men problemet er, at disse to tilgange indtil videre var afbrudt:Halvledere er skalerbare, men kan ikke nå den atomare skala, og selvom selvsamlede strukturer længe har fungeret på atomare skalaer, tilbyder de ingen arkitektur for forbindelserne til den ydre verden.

"Det interessante ville være, hvis vi kunne producere et elektronisk kredsløb, der byggede sig selv - ligesom det, der sker med mennesker, når de vokser, men med uorganiske halvledermaterialer. Det ville være ægte hierarkisk selvsamling," siger Guillermo Arregui, der var med-superviserede projektet.

"Vi bruger det nye selvsamlingskoncept til fotoniske resonatorer, som kan bruges i elektronik, nanorobotik, sensorer, kvanteteknologier og meget mere. Så ville vi virkelig være i stand til at høste det fulde potentiale af nanoteknologi. Forskningssamfundet er mange gennembrud væk fra at realisere den vision, men jeg håber, vi har taget de første skridt."

Konvergerende tilgange

Forudsat en kombination af de to tilgange er mulig, satte teamet på DTU Electro sig for at skabe nanostrukturer, der overskrider grænserne for konventionel litografi og ætsning på trods af, at de ikke bruger andet end konventionel litografi og ætsning. Deres idé var at bruge to overfladekræfter, nemlig Casimir-kraften til at tiltrække de to halvdele og van der Waals-kraften til at få dem til at hænge sammen. Disse to kræfter er forankret i den samme underliggende effekt:kvanteudsving.

Forskerne lavede fotoniske hulrum, der begrænser fotoner til luftgab, så små, at det var umuligt at bestemme deres nøjagtige størrelse, selv med et transmissionselektronmikroskop. Men de mindste, de byggede, har en størrelse på 1-3 siliciumatomer.

"Selv om selvsamlingen sørger for at nå disse ekstreme dimensioner, er kravene til nanofabrikationen ikke mindre ekstreme. For eksempel er strukturelle ufuldkommenheder typisk på skalaen af ​​flere nanometer. Alligevel, hvis der er defekter i denne skala, to halvdele vil kun mødes og røre ved de tre største defekter Vi skubber virkelig grænserne her, selvom vi laver vores enheder i et af de allerbedste universitetsrenrum i verden," siger Ali Nawaz Babar, der er ph.d. studerende ved NanoPhoton Center of Excellence på DTU Electro og førsteforfatter til det nye papir.

"Fordelen ved selvsamling er, at du kan lave små ting. Du kan bygge unikke materialer med fantastiske egenskaber. Men i dag kan du ikke bruge det til noget, du sætter i en stikkontakt. Du kan ikke tilslutte det til resten af ​​verden Så du har brug for al den sædvanlige halvlederteknologi til at lave ledninger eller bølgeledere for at forbinde det, du selv har samlet til den ydre verden."

Robust og præcis selvsamling

Artiklen viser en mulig måde at forbinde de to nanoteknologiske tilgange på ved at anvende en ny generation af fremstillingsteknologi, der kombinerer de atomare dimensioner, der er muliggjort af selvsamling, med skalerbarheden af ​​halvledere fremstillet med konventionelle metoder.

"Vi behøver ikke at gå ind og finde disse hulrum bagefter og indsætte dem i en anden chiparkitektur. Det ville også være umuligt på grund af den lille størrelse. Med andre ord bygger vi noget på skalaen af ​​et atom, der allerede er indsat i et makroskopisk kredsløb Vi er meget begejstrede for denne nye forskningslinje, og der er masser af arbejde forude," siger Søren Stobbe.

Flere oplysninger: Søren Stobbe, Selvsamlede fotoniske hulrum med indeslutning i atomskala, Nature (2023). DOI:10.1038/s41586-023-06736-8. www.nature.com/articles/s41586-023-06736-8

Journaloplysninger: Natur

Leveret af Danmarks Tekniske Universitet