Un obiettivo centrale dell’ottica quantistica e della fotonica è aumentare la forza dell’interazione tra luce e materia per produrre, ad esempio, fotorilevatori o sorgenti di luce quantistica migliori. Il modo migliore per farlo è utilizzare risonatori ottici che immagazzinano la luce per lungo tempo, facendola interagire più fortemente con la materia. Se anche il risonatore è molto piccolo, in modo tale che la luce venga compressa in una piccola regione dello spazio, l’interazione viene ulteriormente migliorata. Il risonatore ideale immagazzinerebbe la luce per lungo tempo in una regione delle dimensioni di un singolo atomo.
Fisici e ingegneri hanno lottato per decenni su come realizzare piccoli risonatori ottici senza renderli molto "con perdite", il che equivale a chiedersi quanto piccolo si possa realizzare un dispositivo a semiconduttore. La tabella di marcia dell'industria dei semiconduttori per i prossimi 15 anni prevede che la larghezza minima possibile di una struttura di semiconduttore non sarà inferiore a 8 nm, ovvero diverse decine di atomi.
Il team dietro un nuovo articolo, il professore associato Søren Stobbe e i suoi colleghi della DTU Electro, hanno dimostrato l'anno scorso cavità da 8 nm, ma ora propongono e dimostrano un nuovo approccio per fabbricare una cavità autoassemblante con un vuoto d'aria sulla scala di un pochi atomi. Il loro articolo, "Self-assembled photonic cavities with atomic-scale confination", che descrive in dettaglio i risultati, è pubblicato su Nature .
Per spiegare brevemente l'esperimento, due metà delle strutture in silicio sono sospese su molle, sebbene nella prima fase il dispositivo in silicio sia saldamente fissato a uno strato di vetro. I dispositivi sono realizzati con la tecnologia convenzionale dei semiconduttori, quindi le due metà sono distanti poche decine di nanometri.
Dopo l'incisione selettiva del vetro, la struttura viene rilasciata e ora è sospesa solo dalle molle e, poiché le due metà sono realizzate così vicine l'una all'altra, si attraggono a causa delle forze superficiali. Progettando attentamente il design delle strutture di silicio, il risultato è un risonatore autoassemblato con spazi a forma di papillon su scala atomica circondati da specchi di silicio.
"Siamo lontani da un circuito che si costruisce completamente da solo. Ma siamo riusciti a far convergere due approcci che finora hanno viaggiato su binari paralleli. E questo ci ha permesso di costruire un risonatore al silicio con una miniaturizzazione senza precedenti", afferma Søren Stobbe.
Un approccio, l’approccio top-down, è alla base dello spettacolare sviluppo a cui abbiamo assistito con le tecnologie dei semiconduttori basate sul silicio. Qui, in parole povere, si parte da un blocco di silicio e si lavora per creare nanostrutture da esso. L’altro approccio – l’approccio dal basso verso l’alto – è quello in cui si tenta di assemblare un sistema nanotecnologico da solo. Ha lo scopo di imitare sistemi biologici, come piante o animali, costruiti attraverso processi biologici o chimici.
Questi due approcci sono al centro di ciò che definisce la nanotecnologia. Ma il problema è che questi due approcci erano finora disconnessi:i semiconduttori sono scalabili ma non possono raggiungere la scala atomica e, sebbene le strutture autoassemblate funzionino da tempo su scala atomica, non offrono alcuna architettura per le interconnessioni con il mondo esterno. /P>
"La cosa interessante sarebbe se potessimo produrre un circuito elettronico che si costruisse da solo, proprio come succede agli esseri umani mentre crescono, ma con materiali semiconduttori inorganici. Sarebbe un vero e proprio autoassemblaggio gerarchico", afferma Guillermo Arregui, che ha co-supervisionato il progetto.
"Utilizziamo il nuovo concetto di autoassemblaggio per i risonatori fotonici, che possono essere utilizzati nell'elettronica, nella nanorobotica, nei sensori, nelle tecnologie quantistiche e molto altro ancora. Allora saremmo davvero in grado di sfruttare tutto il potenziale della nanotecnologia. La comunità di ricerca è mancano ancora molti passi avanti per realizzare quella visione, ma spero che abbiamo mosso i primi passi."
Si avvicina alla convergenza
Supponendo che una combinazione dei due approcci sia possibile, il team di DTU Electro ha deciso di creare nanostrutture che superino i limiti della litografia e dell'incisione convenzionali nonostante non utilizzino nient'altro che la litografia e l'incisione convenzionali. La loro idea era quella di utilizzare due forze superficiali, vale a dire la forza di Casimir per attrarre le due metà e la forza di van der Waals per farle aderire. Queste due forze sono radicate nello stesso effetto sottostante:le fluttuazioni quantistiche.
I ricercatori hanno realizzato cavità fotoniche che confinano i fotoni in spazi d’aria così piccoli che determinarne l’esatta dimensione era impossibile, anche con un microscopio elettronico a trasmissione. Ma i più piccoli che hanno costruito hanno una dimensione di 1–3 atomi di silicio.
"Anche se l'autoassemblaggio riesce a raggiungere queste dimensioni estreme, i requisiti per la nanofabbricazione non sono meno estremi. Ad esempio, le imperfezioni strutturali sono tipicamente su una scala di diversi nanometri. Tuttavia, se ci sono difetti su questa scala, il le due metà si incontreranno e si toccheranno solo in corrispondenza dei tre difetti più grandi Qui stiamo davvero spingendo i limiti, anche se produciamo i nostri dispositivi in una delle migliori camere bianche universitarie al mondo," afferma Ali Nawaz Babar, Ph.D. studente presso il NanoPhoton Center of Excellence presso DTU Electro e primo autore del nuovo articolo.
"Il vantaggio dell'autoassemblaggio è che puoi realizzare piccole cose. Puoi costruire materiali unici con proprietà sorprendenti. Ma oggi non puoi usarlo per qualsiasi cosa colleghi a una presa di corrente. Non puoi collegarlo al resto del mondo. Quindi, hai bisogno di tutta la solita tecnologia dei semiconduttori per realizzare i cavi o le guide d'onda per collegare tutto ciò che hai autoassemblato al mondo esterno."
L'articolo mostra un possibile modo per collegare i due approcci nanotecnologici impiegando una nuova generazione di tecnologia di fabbricazione che combina le dimensioni atomiche consentite dall'autoassemblaggio con la scalabilità dei semiconduttori fabbricati con metodi convenzionali.
"Non dobbiamo andare a cercare queste cavità in un secondo momento e inserirle in un'altra architettura di chip. Anche questo sarebbe impossibile a causa delle dimensioni minuscole. In altre parole, stiamo costruendo qualcosa sulla scala di un atomo già inserito nel un circuito macroscopico Siamo molto entusiasti di questa nuova linea di ricerca e c'è molto lavoro da fare", afferma Søren Stobbe.
Ulteriori informazioni: Søren Stobbe, Cavità fotoniche autoassemblate con confinamento su scala atomica, Natura (2023). DOI:10.1038/s41586-023-06736-8. www.nature.com/articles/s41586-023-06736-8
Informazioni sul giornale: Natura
Fornito dall'Università Tecnica della Danimarca
