Рождение самой маленькой в ​​мире светоулавливающей кремниевой полости: самосборка на атомном уровне генерирует квантовые источники света

Увеличение силы взаимодействия между светом и материей для создания более совершенных фотодетекторов или квантовых источников света является ключевой целью квантовой оптики и фотоники.
И лучший способ сделать это — использовать оптические резонаторы, которые сохраняют свет в течение длительного времени, чтобы их взаимодействие с материей становилось сильнее. Если резонатор также очень компактен и сжимает свет в очень небольшую область пространства, взаимодействие еще больше усиливается. В идеальном резонаторе область размером с атом может хранить свет в течение длительного времени.
Проблема миниатюризации резонатора
На протяжении десятилетий инженеры и физики пытались решить проблему создания небольших оптических резонаторов, не жертвуя при этом их характеристиками, подобно тому, как приходится конструировать небольшие полупроводниковые устройства. Дорожная карта полупроводниковой промышленности на ближайшие 15 лет предсказывает, что наименьшая возможная ширина полупроводниковой структуры составит не менее 8 нм, что соответствует ширине десятков атомов.
Описанные самособирающиеся полости могут быть интегрированы в более крупные самособираемые сборки для направления света вокруг оптического чипа. На рисунке показан оптический резонатор, встроенный в схему, содержащую множество самособирающихся компонентов.
Новый подход преодолевает экстремальные условия
В прошлом году доцент DTU Electro Сорен Стоббе и его коллеги опубликовали в журнале Nature новую статью, в которой продемонстрировали полости размером 8 нм, но теперь они предложили и продемонстрировали новый метод создания самоорганизующихся полостей с воздушными пустотами на поверхности. масштабе нескольких атомов. Их статья «Самоорганизующиеся фотонные резонаторы с ограничениями атомного масштаба» подробно описывает результаты, опубликованные в номере журнала Nature от 6 декабря.
В этом эксперименте две половинки кремниевой конструкции «подвешивались» на пружине, и на первом этапе кремниевое устройство было прочно прикреплено к слою стекла. Устройство было изготовлено по обычной полупроводниковой технологии, поэтому расстояние между двумя половинками составляло всего несколько десятков нанометров. После выборочного травления стекла структура освобождается и теперь просто поддерживается пружиной.
Поскольку две части тесно связаны, поверхностные силы заставляют их притягиваться друг к другу. В результате получился самособирающийся резонатор с кремниевыми зеркалами, окружающими зазоры в форме галстука-бабочки на атомном уровне, который был создан путем тщательной обработки структуры кремниевой структуры.
Исследователи еще далеки от полностью самоконструирующейся схемы. Но им удалось объединить два подхода, которые до сих пор развивались параллельными путями, и создать кремниевый резонатор, который никогда раньше не подвергался миниатюризации.
Достижения в области полупроводниковых технологий на основе кремния стали возможными благодаря одному конкретному подходу, известному как «метод сверху вниз». Другой подход известен как технология «снизу вверх»: попытка заставить нанотехнологические системы собраться сами. Ключ к их исследованию заключается в объединении этих двух подходов.
Исследование демонстрирует жизнеспособную технику объединения двух нанотехнологических подходов путем использования нового поколения методов изготовления, которые сочетают в себе размер атома, обеспечиваемый самосборкой, с масштабируемостью полупроводников, производимых традиционным способом.
Изготовив фотонные резонаторы, исследователи смогли удерживать фотоны в настолько крошечных воздушных зазорах, что их невозможно было точно измерить даже с помощью просвечивающего электронного микроскопа. Однако самый маленький из них, который они построили, имел размер всего 1-3 атомов кремния, установив новый рекорд для небольшого объема поглощающих свет кремниевых полостей.
Нам не нужно позже находить эти полости и вставлять их в другую архитектуру чипа», — сказал Стоббе. Это также невозможно, потому что они настолько малы. Другими словами, мы строим что-то в масштабе вставленного атома. в макроскопическую схему. Мы очень воодушевлены этим новым направлением исследований, и впереди нас ждет много работы».