Mentre stiamo passando a una nuova era dell’informatica, c’è bisogno di nuovi dispositivi che integrino funzionalità elettroniche e fotoniche su scala nanometrica, migliorando al contempo l’interazione tra fotoni ed elettroni. In un passo importante verso la soddisfazione di questa esigenza, i ricercatori hanno sviluppato una nuova nanocavità semiconduttrice III-V che confina la luce a livelli inferiori al cosiddetto limite di diffrazione.
"Le nanocavità con volumi modalità ultrapiccoli rappresentano una grande promessa per il miglioramento di un'ampia gamma di dispositivi e tecnologie fotonici, dai laser e LED alla comunicazione e al rilevamento quantistico, aprendo allo stesso tempo possibilità in campi emergenti come l'informatica quantistica", ha affermato l'autore principale Meng Xiong dell'Università Tecnica della Danimarca. "Ad esempio, le sorgenti luminose basate su queste nanocavità potrebbero migliorare significativamente la comunicazione consentendo una trasmissione dei dati più rapida e un consumo energetico fortemente ridotto."
Nella rivista Optical Materials Express , i ricercatori mostrano che la loro nuova nanocavità presenta un volume modale di un ordine di grandezza inferiore a quello precedentemente dimostrato nei materiali III-V. I semiconduttori III-V hanno proprietà uniche che li rendono ideali per i dispositivi optoelettronici. Il forte confinamento spaziale della luce dimostrato in questo lavoro aiuta a migliorare l'interazione luce-materia, il che consente potenze LED più elevate, soglie laser più piccole ed efficienze più elevate per il singolo fotone.
"Le fonti luminose basate su queste nuove nanocavità potrebbero avere un impatto notevole sui data center e sui computer, dove le connessioni ohmiche e assetate di energia potrebbero essere sostituite da collegamenti ottici ad alta velocità e a basso consumo energetico", ha affermato Xiong. "Potrebbero anche essere utilizzati in tecniche di imaging avanzate come la microscopia a super risoluzione per consentire un migliore rilevamento delle malattie e un migliore monitoraggio del trattamento o per migliorare i sensori per varie applicazioni, tra cui il monitoraggio ambientale, la sicurezza alimentare."
Il lavoro fa parte di uno sforzo condotto dai ricercatori del NanoPhoton-Center for Nanophotonics dell'Università Tecnica della Danimarca, che stanno esplorando una nuova classe di cavità ottiche dielettriche che consentono il confinamento profondo della luce alla lunghezza d'onda inferiore attraverso un principio che i ricercatori hanno coniato confinamento dielettrico estremo (EDC). ). Migliorando l'interazione tra luce e materia, le cavità EDC potrebbero portare a computer altamente efficienti con laser e fotorilevatori a lunghezza d'onda profonda integrati nei transistor per un consumo energetico ridotto.
Nel nuovo lavoro, i ricercatori hanno prima progettato una cavità EDC nel fosfuro di indio (InP) semiconduttore III-V utilizzando un approccio matematico sistematico che ha ottimizzato la topologia allentando i vincoli geometrici. Hanno quindi fabbricato la struttura utilizzando la litografia a fascio di elettroni e l'incisione a secco.
"Le nanocavità EDC hanno dimensioni fino a pochi nanometri, il che è fondamentale per ottenere un'estrema concentrazione di luce, ma sono anche dotate di una significativa sensibilità alle variazioni di fabbricazione", ha affermato Xiong. "Attribuiamo il successo della realizzazione della cavità alla maggiore precisione della piattaforma di fabbricazione InP, che si basa sulla litografia a fascio di elettroni seguita da incisione a secco."
Realizzare una nanocavità più piccola
Dopo aver perfezionato il processo di fabbricazione, i ricercatori hanno ottenuto una dimensione dielettrica straordinariamente piccola di 20 nm, che è diventata la base per il secondo ciclo di ottimizzazione topologica. Quest'ultimo ciclo di ottimizzazione ha prodotto una nanocavità con un volume modale di appena 0,26 (λ/2n)³, dove λ rappresenta la lunghezza d'onda della luce e n il suo indice di rifrazione. Questo risultato è quattro volte più piccolo di quello che viene spesso definito volume limitato dalla diffrazione per una nanocavità, che corrisponde a una scatola di luce con una lunghezza laterale pari alla metà della lunghezza d'onda.
I ricercatori sottolineano che, sebbene cavità simili con queste caratteristiche siano state recentemente ottenute nel silicio, il silicio è privo delle transizioni dirette da banda a banda riscontrate nei semiconduttori III-V, che sono essenziali per sfruttare il potenziamento di Purcell fornito dalle nanocavità.
"Prima del nostro lavoro, non era chiaro se risultati simili potessero essere raggiunti nei semiconduttori III-V perché non beneficiano delle tecniche di fabbricazione avanzate sviluppate per l'industria elettronica del silicio", ha affermato Xiong.
I ricercatori stanno ora lavorando per migliorare la precisione di fabbricazione per ridurre ulteriormente il volume della modalità. Vogliono anche utilizzare le cavità dell'EDC per realizzare un pratico nanolaser o nanoLED.
Ulteriori informazioni: Meng Xiong et al, Realizzazione sperimentale del confinamento profondo della luce al di sotto della lunghezza d'onda in una nanocavità InP ottimizzata per topologia, Optical Materials Express (2023). DOI:10.1364/OME.513625
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