自行构建的领结谐振器弥合了纳米级和宏观级之间的差距

量子光学和光子学的中心目标是增加光与物质之间相互作用的强度，以产生更好的光电探测器或量子光源等。最好的方法是使用能够长时间存储光的光学谐振器，使其与物质的相互作用更加强烈。如果谐振器也非常小，使得光被压缩到空间的微小区域中，则相互作用会进一步增强。理想的谐振器将在单个原子大小的区域中长时间存储光。

几十年来，物理学家和工程师一直在努力解决如何在不使光学谐振器变得非常“有损耗”的情况下制造出多小的光学谐振器，这相当于询问可以制造多小的半导体器件。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8纳米，相当于几十个原子的宽度。

DTUElectro副教授SørenStobbe及其同事去年展示了8nm空腔，但现在他们提出并展示了一种新颖的方法来制造具有几个原子。他们的论文“具有原子级限制的自组装光子腔”详细介绍了结果，该论文发表在《自然》杂志上。

为了简要解释该实验，硅结构的两半悬挂在弹簧上，尽管在第一步中，硅器件牢固地附着在一层玻璃上。这些器件是采用传统的半导体技术制造的，因此两半之间的距离只有几十纳米。

在对玻璃进行选择性蚀刻后，该结构被释放，现在仅由弹簧悬挂，并且由于两半彼此距离如此之近，因此它们由于表面力而相互吸引。通过仔细设计硅结构，得到了一个自组装谐振器，其原子尺度上有领结形间隙，周围被硅镜包围。

“我们离完全自我构建的电路还很远。但我们已经成功地融合了迄今为止沿着平行轨道行进的两种方法。它使我们能够构建出前所未有的小型化硅谐振器，”SørenStobbe说。

两种不同的方法

一种方法——自上而下的方法——是我们所看到的硅基半导体技术惊人发展的背后原因。粗略地说，在这里，你从硅块开始，然后用它们制造纳米结构。另一种方法——自下而上的方法——是尝试让纳米技术系统自行组装。它的目的是模仿通过生物或化学过程构建的生物系统，例如植物或动物。

这两种方法是定义纳米技术的核心。但问题是，这两种方法到目前为止是脱节的：半导体是可扩展的，但无法达到原子尺度，虽然自组装结构长期以来一直在原子尺度上运行，但它们没有提供与外部世界互连的架构。

“有趣的是，如果我们能够生产出一种可以自行构建的电子电路，就像人类在成长过程中所发生的情况一样，但使用的是无机半导体材料。这将是真正的分层自组装，”联合监督者吉列尔莫·阿雷吉(GuillermoArregui)说。该项目。

“我们将新的自组装概念用于光子谐振器，该概念可用于电子、纳米机器人、传感器、量子技术等领域。然后，我们将真正能够充分发挥纳米技术的潜力。研究界正在距离实现这一愿景还有很多突破，但我希望我们已经迈出了第一步。”

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路由光。该图显示了嵌入包含多个自组装元件的电路中的光学腔。托尔·AS·维斯(ThorASWeis)绘制的插图。图片来源：ThorASWeis。

方法趋同

假设这两种方法的结合是可能的，DTUElectro的团队着手创建超越传统光刻和蚀刻限制的纳米结构，尽管只使用传统光刻和蚀刻。他们的想法是使用两种表面力，即用于吸引两个半部的卡西米尔力和用于使它们粘在一起的范德华力。这两种力量源于相同的潜在效应：量子涨落。

研究人员制造了光子腔，将光子限制在气隙中，气隙非常小，即使使用透射电子显微镜，也无法确定它们的确切尺寸。但他们建造的最小的只有1-3个硅原子大小。

“即使自组装能够达到这些极端尺寸，对纳米制造的要求也同样极端。例如，结构缺陷通常在几个纳米的范围内。不过，如果存在这种规模的缺陷，“两半只会在三个最大的缺陷处相遇和接触。尽管我们是在世界上最好的大学洁净室之一制造我们的设备，但我们确实在突破极限。”博士AliNawazBabar说道。DTUElectro纳米光子卓越中心的学生，也是这篇新论文的第一作者。

“自组装的优势在于你可以制造微小的东西。你可以构建具有惊人性能的独特材料。但今天，你不能将它用于插入电源插座的任何东西。你不能将它连接到“所以，你需要所有常用的半导体技术来制造电线或波导，以将你自组装的任何东西连接到外部世界。”

坚固且准确的自组装

该论文展示了一种通过采用新一代制造技术将两种纳米技术方法联系起来的可能方法，该技术将自组装实现的原子尺寸与传统方法制造的半导体的可扩展性结合起来。

“我们不必进去找到这些空腔，然后将它们插入到另一个芯片架构中。由于尺寸很小，这也是不可能的。换句话说，我们正在按照已经插入的原子规模构建一些东西。“我们对这一新的研究方向感到非常兴奋，并且还有大量的工作要做。”SørenStobbe说道。