חלל הסיליקון לוכד האור הקטן ביותר בעולם נולד: הרכבה עצמית ברמה האטומית מייצרת מקורות אור קוונטיים

הגדלת עוצמת האינטראקציה בין אור לחומר כדי לייצר גלאי פוטוט או מקורות אור קוונטיים טובים יותר היא מטרת מפתח של אופטיקה קוונטית ופוטוניקה.
והדרך הטובה ביותר לעשות זאת היא להשתמש במהודים אופטיים האוגרים אור לפרקי זמן ארוכים כך שהאינטראקציה שלהם עם החומר תתחזק. אם המהוד הוא גם מאוד קומפקטי, דוחס את האור לאזור קטן מאוד של חלל, האינטראקציה מועצמת עוד יותר. במהוד המושלם, אזור בגודל של אטום יכול לאגור אור לפרקי זמן ארוכים.
האתגר של מזעור מהוד
במשך עשרות שנים, מהנדסים ופיזיקאים התמודדו עם הבעיה כיצד ליצור מהודים אופטיים קטנים מבלי להקריב את הביצועים שלהם, בדומה לאופן שבו יש לבנות התקני מוליכים למחצה קטנים. מפת הדרכים של תעשיית המוליכים למחצה ל-15 השנים הבאות צופה שהרוחב הקטן ביותר האפשרי של מבנה מוליכים למחצה יהיה לא פחות מ-8 ננומטר, שהם רוחב של עשרות אטומים.
ניתן לשלב את החללים בהרכבה עצמית שתוארו במכלולים גדולים יותר בהרכבה עצמית לניתוב אור סביב שבב אופטי. האיור מציג חלל אופטי המוטבע במעגל המכיל מספר רכיבים בהרכבה עצמית.
גישה חדשה מתגברת על תנאים קיצוניים
בשנה שעברה, פרופסור-המשנה של DTU Electro סרן סטובה ועמיתיו פרסמו מאמר חדש בכתב העת Nature שבו הדגימו חללים של 8 ננומטר, אך כעת הם הציעו והדגימו שיטה חדשה ליצירת חללים בהרכבה עצמית עם חללי אוויר. בקנה מידה של כמה אטומים. המאמר שלהם, "חללים פוטוניים בהרכבה עצמית עם אילוצים בקנה מידה אטומי", מפרט את הממצאים, שפורסמו בגיליון 6 בדצמבר של Nature.
בניסוי זה "הושעו" שני חצאי מבנה סיליקון מקפיץ, ובשלב הראשון הוצמד מכשיר הסיליקון בחוזקה לשכבת זכוכית. המכשיר יוצר באמצעות טכנולוגיית מוליכים למחצה קונבנציונלית, כך שהמרחק בין שני החצאים היה רק ​​כמה עשרות ננומטרים. ברגע שהזכוכית נחרטה באופן סלקטיבי, המבנה משתחרר וכעת הוא פשוט נתמך על ידי הקפיץ.
מכיוון ששני החלקים קשורים קשר הדוק, כוחות פני השטח גורמים להם למשוך זה את זה. התוצאה היא תהודה בהרכבה עצמית עם מראות סיליקון המקיפות מרווחים בצורת פפיון בקנה מידה אטומי, שנוצר על ידי יצירה קפדנית של מבנה הסיליקון.
החוקרים עדיין רחוקים ממעגל בנייה עצמית לחלוטין. אבל הם הצליחו לאחד שתי גישות שנעו עד כה לאורך מסילות מקבילות כדי ליצור מהוד סיליקון שמעולם לא זכה למיניאטוריות קודם לכן.
ההתקדמות בטכנולוגיית מוליכים למחצה מבוססי סיליקון התאפשרה על ידי גישה מסוימת, המכונה "שיטת מלמעלה למטה". גישה נוספת ידועה כטכנולוגיה "מלמטה למעלה": לנסות לגרום למערכות ננוטכנולוגיה להרכיב את עצמן. המפתח למחקר שלהם טמון בשילוב שתי הגישות הללו.
המחקר מדגים טכניקה בת קיימא לקישור בין שתי הגישות הננו-טכנולוגיות על ידי שימוש בדור חדש של טכניקות ייצור המשלבות את הגודל האטומי המוצע על ידי הרכבה עצמית עם המדרגיות של מוליכים למחצה המיוצרים באופן קונבנציונלי.
על ידי ייצור חללים פוטונים, החוקרים הצליחו להגביל את הפוטונים במרווחי אוויר כה זעירים עד שלא ניתן היה למדוד אותם במדויק, אפילו עם מיקרוסקופ אלקטרוני תמסורת. עם זאת, הקטן ביותר שהם בנו היה רק ​​1-3 אטומי סיליקון בגודל, וקבע שיא חדש לנפח קטן של חללי סיליקון לוכדי אור.
אנחנו לא צריכים למצוא את החללים האלה אחר כך ולהכניס אותם לארכיטקטורת שבב אחרת", אמר סטוב. זה גם לא אפשרי כי זה כל כך קטן. במילים אחרות, אנחנו בונים משהו בקנה מידה של אטום שהוכנס. לתוך מעגל מקרוסקופי. אנחנו מאוד נרגשים מהכיוון החדש הזה של המחקר, ויש הרבה עבודה לפנינו".