Głównym celem optyki kwantowej i fotoniki jest zwiększenie siły interakcji między światłem a materią w celu wytworzenia np. lepszych fotodetektorów lub kwantowych źródeł światła. Najlepszym sposobem na to jest użycie rezonatorów optycznych, które przechowują światło przez długi czas, dzięki czemu oddziałuje ono silniej z materią. Jeśli rezonator jest również bardzo mały, tak że światło jest wciśnięte w niewielki obszar przestrzeni, interakcja jest jeszcze bardziej wzmocniona. Idealny rezonator magazynowałby światło przez długi czas w obszarze wielkości pojedynczego atomu.
Fizycy i inżynierowie od dziesięcioleci zmagają się z problemem, w jaki sposób można zbudować małe rezonatory optyczne, nie powodując przy tym dużych strat, co jest równoznaczne z pytaniem, jak małe można zbudować urządzenie półprzewodnikowe. Plan działania przemysłu półprzewodników na następne 15 lat przewiduje, że najmniejsza możliwa szerokość struktury półprzewodnikowej będzie wynosić nie mniej niż 8 nm, czyli szerokość kilkudziesięciu atomów.
Zespół odpowiedzialny za nowy artykuł w czasopiśmie Nature, profesor nadzwyczajny Søren Stobbe i jego koledzy z DTU Electro zademonstrowali w zeszłym roku wnęki 8 nm, ale teraz proponują i demonstrują nowatorskie podejście do wytwarzania samoorganizującej się wnęki z pustką powietrzną w skali kilka atomów. Ich artykuł pt. „Samoorganizujące się wnęki fotoniczne z zamknięciem w skali atomowej”, zawierający szczegółowe informacje na temat wyników, został dziś opublikowany w czasopiśmie Nature.
Aby w skrócie wyjaśnić eksperyment, dwie połówki krzemowych struktur zawieszone są na sprężynach, chociaż w pierwszym etapie krzemowe urządzenie jest trwale mocowane do warstwy szkła. Urządzenia wykonane są w konwencjonalnej technologii półprzewodnikowej, więc dwie połówki są oddalone od siebie o kilkadziesiąt nanometrów. Po selektywnym trawieniu szkła struktura zostaje uwolniona i obecnie zawieszona jest jedynie na sprężynach, a ponieważ dwie połówki są wykonane tak blisko siebie, przyciągają się pod wpływem sił powierzchniowych. Dzięki starannemu zaprojektowaniu konstrukcji krzemowych w rezultacie powstał samoorganizujący się rezonator ze szczelinami w kształcie muszki w skali atomowej, otoczony krzemowymi zwierciadłami.
„Daleko nam od obwodu, który buduje się sam w sobie. Udało nam się jednak połączyć dwa podejścia, które do tej pory podążały równoległymi torami. Pozwoliło nam to zbudować rezonator krzemowy o niespotykanej dotąd miniaturyzacji” – mówi Søren Stobbe.
Dwa odrębne podejścia
Jedno podejście – podejście odgórne – stoi za spektakularnym rozwojem technologii półprzewodników na bazie krzemu. Tutaj, z grubsza mówiąc, odchodzisz od bloku krzemu i pracujesz nad utworzeniem z nich nanostruktur. Drugie podejście – podejście oddolne – polega na próbie zmontowania systemu nanotechnologicznego. Ma na celu naśladowanie systemów biologicznych, takich jak rośliny lub zwierzęta, zbudowanych w procesach biologicznych lub chemicznych. Te dwa podejścia leżą u podstaw definicji nanotechnologii. Problem polega jednak na tym, że te dwa podejścia były jak dotąd rozbieżne: półprzewodniki są skalowalne, ale nie mogą osiągnąć skali atomowej, i choć samoorganizujące się struktury od dawna działają w skali atomowej, nie oferują żadnej architektury połączeń wzajemnych ze światem zewnętrznym.
„Interesujące byłoby to, gdybyśmy mogli wyprodukować obwód elektroniczny, który zbudowałby się sam — tak jak to dzieje się z ludźmi, gdy rosną, ale z nieorganicznymi materiałami półprzewodnikowymi. Byłby to prawdziwy hierarchiczny samoorganizacja. Stosujemy nową koncepcję samoorganizacji dla rezonatorów fotonicznych, które mogą znaleźć zastosowanie w elektronice, nanorobotyce, czujnikach, technologiach kwantowych itp. Wtedy naprawdę bylibyśmy w stanie w pełni wykorzystać potencjał nanotechnologii. Społeczność naukowa jest o wiele przełomowa od realizacji tej wizji, ale Mam nadzieję, że wykonaliśmy pierwsze kroki” – mówi Guillermo Arregui, który współnadzorował projekt.
Podejścia się zbiegają
Zakładając, że możliwe jest połączenie tych dwóch podejść, zespół DTU Electro postanowił stworzyć nanostruktury, które przekraczają granice konwencjonalnej litografii i trawienia, mimo że nie wykorzystują niczego poza konwencjonalną litografią i trawieniem. Ich pomysł polegał na wykorzystaniu dwóch sił powierzchniowych, a mianowicie siły Casimira do przyciągania dwóch połówek i siły van der Waalsa do ich sklejania. Te dwie siły mają swoje korzenie w tym samym podstawowym efekcie: fluktuacjach kwantowych (patrz ramka Fakty).
Naukowcy stworzyli wnęki fotoniczne, które ograniczają fotony w szczelinach powietrznych, tak małe, że określenie ich dokładnego rozmiaru było niemożliwe nawet przy użyciu transmisyjnego mikroskopu elektronowego. Ale najmniejsze, jakie zbudowali, mają wielkość 1-3 atomów krzemu.
„Nawet jeśli samoorganizacja umożliwi osiągnięcie tak ekstremalnych wymiarów, wymagania dotyczące nanofabrykacji są nie mniej ekstremalne. Na przykład niedoskonałości strukturalne mają zazwyczaj skalę kilku nanometrów. Jeśli jednak występują defekty w tej skali, dwie połówki spotkają się i dotkną tylko w trzech największych defektach. Naprawdę przesuwamy tutaj granice, mimo że nasze urządzenia powstają w jednym z najlepszych uniwersyteckich pomieszczeń czystych na świecie” – mówi Ali Nawaz Babar, doktorant na Uniwersytecie Centrum Doskonałości NanoPhoton w DTU Electro i pierwszy autor nowego artykułu.
„Zaletą samodzielnego montażu jest to, że można wykonać drobne rzeczy. Można zbudować unikalne materiały o niesamowitych właściwościach. Ale dziś nie można go używać do niczego, co podłącza się do gniazdka elektrycznego. Nie można go podłączyć do gniazdka elektrycznego. reszty świata. Potrzebujesz więc całej zwykłej technologii półprzewodników do wykonania przewodów lub falowodów, aby połączyć wszystko, co sam zmontowałeś, ze światem zewnętrznym.
Solidny i dokładny do samodzielnego montażu
W artykule przedstawiono możliwy sposób połączenia dwóch podejść nanotechnologicznych poprzez zastosowanie nowej generacji technologii wytwarzania, która łączy wymiary atomowe możliwe dzięki samoorganizacji ze skalowalnością półprzewodników wytwarzanych konwencjonalnymi metodami.
„Nie musimy później szukać tych wgłębień i wstawiać ich do innej architektury chipa. Byłoby to również niemożliwe ze względu na niewielki rozmiar. Innymi słowy, budujemy coś w skali atomu już umieszczonego w obwód makroskopowy. Jesteśmy bardzo podekscytowani tym nowym kierunkiem badań, przed nami mnóstwo pracy” – mówi Søren Stobbe.
Siły powierzchniowe
Istnieją cztery znane podstawowe oddziaływania: grawitacyjne, elektromagnetyczne oraz silne i słabe oddziaływania jądrowe. Oprócz sił wynikających z konfiguracji statycznych, np. przyciągającej siły elektromagnetycznej pomiędzy cząstkami naładowanymi dodatnio i ujemnie, mogą występować również siły wynikające z fluktuacji. Takie fluktuacje mogą mieć pochodzenie termiczne lub kwantowe i powodują powstanie sił powierzchniowych, takich jak siła van der Waalsa i siła Casimira, które działają w różnych skalach długości, ale są zakorzenione w tej samej fizyce. Inne mechanizmy, takie jak elektrostatyczne ładunki powierzchniowe, mogą zwiększać wypadkową siłę powierzchniową. Na przykład gekony wykorzystują siły powierzchniowe do przylegania do ścian i sufitów.
Jak to zostało zrobione
W artykule szczegółowo opisano trzy eksperymenty, które naukowcy przeprowadzili w laboratoriach DTU:
Wyprodukowano nie mniej niż 2688 urządzeń składających się z dwóch mikrochipów, z których każde zawierało platformę, która albo zapadała się na pobliską krzemową ścianę, albo nie zapadała się, w zależności od szczegółów powierzchni, stałej sprężystości i odległości między platformą a ścianą. Umożliwiło to badaczom sporządzenie mapy, które parametry prowadzą – a które nie – do deterministycznego samoorganizacji. Tylko 11 urządzeń uległo awarii z powodu błędów produkcyjnych lub innych wad, co stanowi zaskakująco niską liczbę w przypadku nowatorskiego procesu samodzielnego montażu. Naukowcy wykonali samoorganizujące się rezonatory optyczne, których właściwości optyczne zweryfikowano eksperymentalnie, a skalę atomową potwierdzono za pomocą transmisyjnej mikroskopii elektronowej. Samoorganizujące się wnęki zostały osadzone w większej architekturze składającej się z samoorganizujących się falowodów, sprężyn i sprzęgaczy fotonicznych, aby w tym samym procesie wykonać otaczające obwody mikrochipów.