世界上最小的捕光硅腔诞生：在原子水平上自组装产生量子光源

2024-01-04 10:19

来源： OFweek激光网

增加光与物质之间相互作用的强度，从而产生更好的光电探测器或量子光源，是量子光学和光子学的一大关键目标。

而最好的方法是使用长时间储存光的光学谐振器，使其与物质的相互作用变得更强。如果谐振器同样非常紧凑，将光压缩到非常小的空间区域，则相互作用会进一步放大。在完美的谐振器中，一个原子大小的区域可以长时间存储光。

谐振器小型化的挑战

几十年来，工程师和物理学家一直在努力解决如何在不牺牲其性能的情况下制造小型光学谐振器的问题，这类似于要构造多小的半导体器件。据半导体行业未来15年的路线图预测，半导体结构的最小可能宽度将不小于8nm，这是几十个原子的宽度。

所述自组装腔可以集成到更大的自组装组件中，用于在光学芯片周围布线光。该图显示了嵌入在包含多个自组装元件的电路中的光学腔。

新方法克服极端条件

去年，DTU Electro的S?ren Stobbe副教授和他的同事们在《自然》（Nature）杂志上发表了一篇新论文，他们展示了8nm的空腔，但现在他们提出并展示了一种新方法，可以制造具有几个原子尺度的空气空洞的自组装空腔。他们的论文《具有原子尺度约束的自组装光子腔》详细介绍了研究结果，发表在12月6日的《自然》杂志上。

这个实验中，硅结构的两半被“悬挂”在弹簧上，在第一步中，硅装置被牢固地附着在一层玻璃上。这种装置是用传统的半导体技术制造的，所以两半之间的距离只有几十纳米。一旦玻璃被选择性地蚀刻，这个结构就被释放了，现在它只是由弹簧支撑着。

由于这两个部分紧密相连，表面的力使它们相互吸引。结果是一个自组装的谐振器，在原子尺度上，硅镜围绕着领结形状的间隙，这是通过精心制作硅结构的结构而产生的。

研究人员们离一个完全自我构建的电路还很远。但他们已经成功地融合了两种迄今为止沿着平行轨道行进的方法，从而制造出一个前所未有小型化的硅谐振器。

硅基半导体技术的进步得益于一种特殊的方法，即“自上而下法”。另一种方法被称为“自下而上”技术：即尝试让纳米技术系统自行组合。他们的研究关键就在于将这两种方法结合在一起。

该研究展示了一种可行的技术，通过采用新一代的制造技术，将自组装提供的原子尺寸与传统生产的半导体的可扩展性相结合，将两种纳米技术方法连接起来。

通过制造光子腔，研究人员能够将光子限制在非常微小的气隙中，以至于无法精确测量，即使使用透射电子显微镜也无法测量。然而，他们建造的最小的硅原子只有1-3个硅原子大小，创造了小体积捕光硅腔的新纪录。

Stobbe表示：“我们不需要在之后找到这些空腔并将它们插入到另一个芯片架构中。这也是不可能的，因为它的体积很小。换句话说，我们正在建造一个已经插入宏观电路的原子规模的东西。我们对这一新的研究方向感到非常兴奋，未来还有很多工作要做。”