Neix la cavitat de silici que atrapa la llum més petita del món: l'autoassemblatge a nivell atòmic genera fonts de llum quàntica

Augmentar la força de la interacció entre la llum i la matèria per produir millors fotodetectors o fonts de llum quàntica és un objectiu clau de l'òptica i la fotònica quàntiques.
I la millor manera de fer-ho és utilitzar ressonadors òptics que emmagatzemen llum durant llargs períodes de temps perquè la seva interacció amb la matèria sigui més forta. Si el ressonador també és molt compacte, comprimint la llum en una regió molt petita de l'espai, la interacció s'amplifica encara més. En el ressonador perfecte, una regió de la mida d'un àtom pot emmagatzemar llum durant llargs períodes de temps.
El repte de la miniaturització del ressonador
Durant dècades, enginyers i físics s'han enfrontat al problema de com fer petits ressonadors òptics sense sacrificar el seu rendiment, de manera similar a com s'han de construir petits dispositius semiconductors. El full de ruta de la indústria dels semiconductors per als propers 15 anys preveu que l'amplada més petita possible d'una estructura de semiconductors no serà inferior a 8 nm, que és l'amplada de desenes d'àtoms.
Les cavitats autoassemblades descrites es poden integrar en conjunts autoassemblats més grans per encaminar la llum al voltant d'un xip òptic. La figura mostra una cavitat òptica incrustada en un circuit que conté múltiples components autoassemblats.
El nou enfocament supera les condicions extremes
L'any passat, el professor associat de DTU Electro S?ren Stobbe i els seus col·legues van publicar un nou article a la revista Nature en què van demostrar cavitats de 8 nm, però ara han proposat i demostrat un nou mètode per crear cavitats autoensamblades amb buits d'aire. l'escala d'uns quants àtoms. El seu article, "Self-assembled photonic cavities with atomic-scale constraints", detalla les troballes, publicat al número del 6 de desembre de Nature.
En aquest experiment, dues meitats d'una estructura de silici van ser "suspeses" d'una molla i, en el primer pas, el dispositiu de silici es va fixar fermament a una capa de vidre. El dispositiu es va fabricar amb tecnologia de semiconductors convencional, de manera que la distància entre les dues meitats era de només unes desenes de nanòmetres. Un cop el vidre s'ha gravat selectivament, l'estructura s'allibera i ara simplement es recolza per la molla.
Com que les dues parts estan estretament connectades, les forces superficials fan que s'atreguin. El resultat és un ressonador autoassemblat amb miralls de silici que envolten buits en forma de corbata a escala atòmica, que es va crear elaborant acuradament l'estructura de l'estructura de silici.
Els investigadors encara estan lluny d'un circuit totalment autoconstruït. Però han aconseguit fusionar dos enfocaments que fins ara han viatjat per pistes paral·leles per crear un ressonador de silici que mai abans s'havia miniaturitzat.
Els avenços en la tecnologia de semiconductors basats en silici han estat possibles gràcies a un enfocament particular, conegut com el "mètode de dalt a baix". Un altre enfocament es coneix com a tecnologia "de baix a dalt": intentar que els sistemes de nanotecnologia s'assemblen ells mateixos. La clau de la seva recerca rau en la combinació d'aquests dos enfocaments.
L'estudi demostra una tècnica viable per enllaçar els dos enfocaments nanotecnològics mitjançant l'ús d'una nova generació de tècniques de fabricació que combinen la mida atòmica que ofereix l'autoassemblatge amb l'escalabilitat dels semiconductors produïts convencionalment.
En fabricar cavitats fotòniques, els investigadors van poder confinar fotons en buits d'aire tan petits que no es podien mesurar amb precisió, fins i tot amb un microscopi electrònic de transmissió. Tanmateix, el més petit que van construir era de només 1-3 àtoms de silici de mida, cosa que va establir un nou rècord per a un petit volum de cavitats de silici que atrapaven la llum.
No necessitem trobar aquestes cavitats més tard i inserir-les en una altra arquitectura de xip", va dir Stobbe. Això tampoc és possible perquè és tan petit. En altres paraules, estem construint alguna cosa a l'escala d'un àtom que s'ha inserit. en un circuit macroscòpic. Estem molt entusiasmats amb aquesta nova direcció de recerca i hi ha molta feina per endavant".