Dünyanın En Küçük Işığı Yakalayan Silikon Boşluğu Doğdu: Atomik Düzeyde Kendi Kendini Düzenleyen Kuantum Işık Kaynakları Üretiyor

Daha iyi fotodedektörler veya kuantum ışık kaynakları üretmek için ışık ve madde arasındaki etkileşimin gücünü artırmak, kuantum optiğinin ve fotoniğin temel hedeflerinden biridir.
Bunu yapmanın en iyi yolu ise ışığı uzun süre depolayan optik rezonatörleri kullanmak, böylece maddeyle etkileşimi daha güçlü hale geliyor. Rezonatör de çok kompaktsa, ışığı uzayda çok küçük bir bölgeye sıkıştırıyorsa, etkileşim daha da güçlendirilir. Mükemmel bir rezonatörde atom büyüklüğündeki bir bölge, ışığı uzun süre depolayabilir.
Rezonatörün Minyatürleştirilmesinin Zorluğu
Onlarca yıldır mühendisler ve fizikçiler, küçük yarı iletken cihazların nasıl yapılması gerektiğine benzer şekilde, performanslarından ödün vermeden küçük optik rezonatörlerin nasıl yapılacağı sorunuyla boğuşuyorlar. Yarı iletken sektörünün önümüzdeki 15 yıllık yol haritası, bir yarı iletken yapının mümkün olan en küçük genişliğinin onlarca atomun genişliği olan 8 nm'den az olmayacağını öngörüyor.
Açıklanan kendi kendine birleşen boşluklar, ışığın bir optik çip etrafında yönlendirilmesi için daha büyük, kendi kendine birleşen düzeneklere entegre edilebilir. Şekilde birden fazla kendiliğinden monte edilmiş bileşen içeren bir devre içine yerleştirilmiş bir optik boşluk gösterilmektedir.
Yeni yaklaşım zorlu koşulların üstesinden geliyor
Geçtiğimiz yıl, DTU Electro'dan Doçent Sören Stobbe ve meslektaşları Nature dergisinde 8 nm'lik boşlukları gösterdikleri yeni bir makale yayınladılar, ancak şimdi yüzeyde hava boşlukları olan, kendiliğinden oluşan boşluklar oluşturmak için yeni bir yöntem önerip gösterdiler. birkaç atomun ölçeği. Nature dergisinin 6 Aralık sayısında yayınlanan "Atomik ölçekte kısıtlamalara sahip, kendi kendine birleşen fotonik boşluklar" başlıklı makaleleri, bulguların ayrıntılarını veriyor.
Bu deneyde silikon yapının iki yarısı bir yaydan "askıya alındı" ve ilk adımda silikon cihaz bir cam tabakasına sıkı bir şekilde bağlandı. Cihaz geleneksel yarı iletken teknolojisi kullanılarak yapıldı, dolayısıyla iki yarı arasındaki mesafe yalnızca birkaç on nanometreydi. Cam seçici olarak kazındıktan sonra yapı serbest bırakılır ve artık basitçe yay tarafından desteklenir.
İki parça birbirine sıkı sıkıya bağlı olduğundan yüzey kuvvetleri birbirlerini çekmelerine neden olur. Sonuç, silikon yapının yapısının dikkatli bir şekilde işlenmesiyle oluşturulan, atomik ölçekte papyon şeklindeki boşlukları çevreleyen silikon aynalara sahip, kendiliğinden monte edilen bir rezonatördür.
Araştırmacılar hala tamamen kendi kendini kuran bir devreden çok uzaktalar. Ancak daha önce hiç minyatürleştirilmemiş bir silikon rezonatör oluşturmak için şimdiye kadar paralel yollar boyunca ilerleyen iki yaklaşımı birleştirmeyi başardılar.
Silikon bazlı yarı iletken teknolojisindeki ilerlemeler, "yukarıdan aşağıya yöntem" olarak bilinen özel bir yaklaşımla mümkün olmuştur. Diğer bir yaklaşım ise "aşağıdan yukarıya" teknoloji olarak biliniyor: nanoteknoloji sistemlerinin kendi kendine bir araya gelmesini sağlamaya çalışmak. Araştırmalarının anahtarı bu iki yaklaşımı birleştirmede yatmaktadır.
Çalışma, kendi kendine düzenlenmenin sunduğu atom boyutunu geleneksel olarak üretilen yarı iletkenlerin ölçeklenebilirliği ile birleştiren yeni nesil üretim tekniklerini kullanarak iki nanoteknoloji yaklaşımını birbirine bağlamak için uygulanabilir bir teknik ortaya koyuyor.
Araştırmacılar, fotonik boşluklar üreterek, fotonları, transmisyon elektron mikroskobuyla bile doğru bir şekilde ölçülemeyecek kadar küçük hava boşluklarında hapsetmeyi başardılar. Bununla birlikte, yaptıkları en küçüğü yalnızca 1-3 silikon atomu büyüklüğündeydi ve küçük hacimli, ışığı yakalayan silikon boşluklar için yeni bir rekor kırdı.
Bu boşlukları daha sonra bulup başka bir çip mimarisine yerleştirmemize gerek yok" dedi Stobbe. Bu da mümkün değil çünkü çok küçük. Başka bir deyişle, yerleştirilen bir atomun ölçeğinde bir şey inşa ediyoruz. makroskobik bir devreye dönüştürüyoruz. Araştırmanın bu yeni yönü konusunda çok heyecanlıyız ve önümüzde yapılacak çok iş var."