A medida que avanzamos hacia una nueva era en informática, existe la necesidad de nuevos dispositivos que integren funcionalidades electrónicas y fotónicas a nanoescala y al mismo tiempo mejoren la interacción entre fotones y electrones. En un paso importante para satisfacer esta necesidad, los investigadores han desarrollado una nueva nanocavidad semiconductora III-V que confina la luz a niveles por debajo del llamado límite de difracción.
"Las nanocavidades con volúmenes de modo ultrapequeños son muy prometedoras para mejorar una amplia gama de dispositivos y tecnologías fotónicas, desde láseres y LED hasta comunicación y detección cuánticas, al tiempo que abren posibilidades en campos emergentes como la computación cuántica", dijo el autor principal Meng Xiong. de la Universidad Técnica de Dinamarca. "Por ejemplo, las fuentes de luz basadas en estas nanocavidades podrían mejorar significativamente la comunicación al permitir una transmisión de datos más rápida y un consumo de energía muy reducido".
En la revista Optical Materials Express , los investigadores muestran que su nueva nanocavidad exhibe un volumen de modo un orden de magnitud más pequeño que el demostrado previamente en materiales III-V. Los semiconductores III-V tienen propiedades únicas que los hacen ideales para dispositivos optoelectrónicos. El fuerte confinamiento espacial de la luz demostrado en este trabajo ayuda a mejorar la interacción luz-materia, lo que permite potencias LED más altas, umbrales láser más pequeños y eficiencias de fotón único más altas.
"Las fuentes de luz basadas en estas nuevas nanocavidades podrían tener un impacto importante en los centros de datos y las computadoras, donde las conexiones óhmicas y que consumen mucha energía podrían ser reemplazadas por enlaces ópticos de alta velocidad y baja energía", dijo Xiong. "También podrían usarse en técnicas de imágenes avanzadas, como la microscopía de superresolución, para permitir una mejor detección de enfermedades y seguimiento del tratamiento o para mejorar los sensores para diversas aplicaciones, incluida la vigilancia medioambiental y la seguridad alimentaria".
El trabajo es parte de un esfuerzo de investigadores del Centro de Nanofotónica de Nanofotónica de la Universidad Técnica de Dinamarca, que están explorando una nueva clase de cavidades ópticas dieléctricas que permiten un confinamiento profundo de la luz por debajo de la longitud de onda a través de un principio que los investigadores han denominado confinamiento dieléctrico extremo (EDC). ). Al mejorar la interacción entre la luz y la materia, las cavidades EDC podrían conducir a computadoras altamente eficientes con láseres de longitud de subonda profunda y fotodetectores integrados en transistores para reducir el consumo de energía.
En el nuevo trabajo, los investigadores diseñaron primero una cavidad EDC en el fosfuro de indio (InP) semiconductor III-V utilizando un enfoque matemático sistemático que optimizó la topología al tiempo que relajaba las restricciones geométricas. Luego fabricaron la estructura utilizando litografía por haz de electrones y grabado en seco.
"Las nanocavidades EDC tienen tamaños de características de hasta unos pocos nanómetros, lo cual es crucial para lograr una concentración de luz extrema, pero también tienen una sensibilidad significativa a las variaciones de fabricación", dijo Xiong. "Atribuimos la realización exitosa de la cavidad a la precisión mejorada de la plataforma de fabricación InP, que se basa en litografía por haz de electrones seguida de grabado en seco".
Haciendo una nanocavidad más pequeña
Después de perfeccionar el proceso de fabricación, los investigadores lograron un tamaño de característica dieléctrica notablemente pequeño, de 20 nm, que se convirtió en la base para la segunda ronda de optimización topológica. Esta última ronda de optimización produjo una nanocavidad con un volumen de modo de sólo 0,26 (λ/2n)³, donde λ representa la longitud de onda de la luz y n su índice de refracción. Este logro es cuatro veces menor que lo que a menudo se denomina volumen limitado por difracción para una nanocavidad, que corresponde a una caja de luz con una longitud lateral de la mitad de la longitud de onda.
Los investigadores señalan que, aunque recientemente se lograron cavidades similares con estas características en el silicio, el silicio carece de las transiciones directas de banda a banda que se encuentran en los semiconductores III-V, que son esenciales para aprovechar la mejora de Purcell proporcionada por las nanocavidades.
"Antes de nuestro trabajo, no estaba claro si se podrían lograr resultados similares en semiconductores III-V porque no se benefician de las técnicas de fabricación avanzadas desarrolladas para la industria electrónica de silicio", dijo Xiong.
Los investigadores ahora están trabajando para mejorar la precisión de fabricación para reducir aún más el volumen del modo. También quieren utilizar las cavidades EDC para lograr un práctico nanoláser o nanoLED.
Más información: Meng Xiong et al, Realización experimental del confinamiento profundo de la luz por debajo de la longitud de onda en una nanocavidad InP con topología optimizada, Optical Materials Express (2023). DOI:10.1364/OME.513625
Información de la revista: Materiales Ópticos Express
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