Lahirnya Rongga Silikon Penangkap Cahaya Terkecil di Dunia: Perakitan Mandiri Pada Tingkat Atom Menghasilkan Sumber Cahaya Kuantum

Meningkatkan kekuatan interaksi antara cahaya dan materi untuk menghasilkan fotodetektor atau sumber cahaya kuantum yang lebih baik adalah tujuan utama optik kuantum dan fotonik.
Dan cara terbaik untuk melakukannya adalah dengan menggunakan resonator optik yang menyimpan cahaya dalam jangka waktu lama sehingga interaksinya dengan materi menjadi lebih kuat. Jika resonatornya juga sangat kompak, memampatkan cahaya ke wilayah ruang yang sangat kecil, interaksinya akan semakin diperkuat. Dalam resonator yang sempurna, wilayah seukuran atom dapat menyimpan cahaya dalam jangka waktu yang lama.
Tantangan Miniaturisasi Resonator
Selama beberapa dekade, para insinyur dan fisikawan telah bergulat dengan masalah bagaimana membuat resonator optik kecil tanpa mengorbankan kinerjanya, serupa dengan bagaimana perangkat semikonduktor kecil harus dibuat. Peta jalan industri semikonduktor untuk 15 tahun ke depan memperkirakan bahwa lebar struktur semikonduktor sekecil mungkin adalah tidak kurang dari 8 nm, yang merupakan lebar puluhan atom.
Rongga yang dirakit sendiri yang dijelaskan dapat diintegrasikan ke dalam rakitan rakitan yang lebih besar untuk mengarahkan cahaya di sekitar chip optik. Gambar tersebut menunjukkan rongga optik yang tertanam dalam sirkuit yang berisi beberapa komponen yang dirakit sendiri.
Pendekatan baru mengatasi kondisi ekstrem
Tahun lalu, Associate Professor DTU Electro S?ren Stobbe dan rekan-rekannya menerbitkan makalah baru di jurnal Nature di mana mereka mendemonstrasikan rongga 8 nm, namun sekarang mereka telah mengusulkan dan mendemonstrasikan metode baru untuk membuat rongga rakitan sendiri dengan rongga udara di dalamnya. skala beberapa atom. Makalah mereka, “Rongga fotonik yang dirakit sendiri dengan batasan skala atom,” merinci temuan tersebut, yang diterbitkan dalam Nature edisi 6 Desember.
Dalam percobaan ini, dua bagian struktur silikon "digantung" pada pegas, dan pada langkah pertama, perangkat silikon dipasang dengan kuat pada lapisan kaca. Perangkat tersebut dibuat menggunakan teknologi semikonduktor konvensional, sehingga jarak antara kedua bagiannya hanya beberapa puluh nanometer. Setelah kaca digores secara selektif, strukturnya dilepaskan dan sekarang hanya ditopang oleh pegas.
Karena kedua bagian tersebut saling berhubungan erat, gaya permukaan menyebabkan keduanya saling tarik menarik. Hasilnya adalah resonator rakitan sendiri dengan cermin silikon yang mengelilingi celah berbentuk dasi kupu-kupu pada skala atom, yang dibuat dengan menyusun struktur struktur silikon secara cermat.
Para peneliti masih jauh dari sirkuit yang bisa dibangun sendiri sepenuhnya. Namun mereka berhasil menggabungkan dua pendekatan yang sejauh ini berjalan sepanjang jalur paralel untuk menciptakan resonator silikon yang belum pernah dibuat mini sebelumnya.
Kemajuan teknologi semikonduktor berbasis silikon dimungkinkan melalui satu pendekatan tertentu, yang dikenal sebagai "metode top-down". Pendekatan lain dikenal sebagai teknologi "bottom-up": mencoba membuat sistem nanoteknologi dapat dirakit sendiri. Kunci penelitian mereka terletak pada penggabungan kedua pendekatan ini.
Studi ini menunjukkan teknik yang layak untuk menghubungkan dua pendekatan nanoteknologi dengan menggunakan teknik fabrikasi generasi baru yang menggabungkan ukuran atom yang ditawarkan oleh perakitan mandiri dengan skalabilitas semikonduktor yang diproduksi secara konvensional.
Dengan membuat rongga fotonik, para peneliti mampu membatasi foton di celah udara yang sangat kecil sehingga tidak dapat diukur secara akurat, bahkan dengan mikroskop elektron transmisi. Namun, lubang terkecil yang mereka buat hanya berukuran 1-3 atom silikon, sehingga memecahkan rekor baru untuk volume kecil rongga silikon yang dapat memerangkap cahaya.
Kita tidak perlu menemukan rongga-rongga ini nanti dan memasukkannya ke dalam arsitektur chip lain,” kata Stobbe. Itu juga tidak mungkin karena ukurannya sangat kecil. Dengan kata lain, kita sedang membangun sesuatu pada skala atom yang telah dimasukkan. ke dalam sirkuit makroskopis. Kami sangat gembira dengan arah penelitian baru ini, dan masih banyak pekerjaan yang harus dilakukan."