Un objetivo central de la óptica y la fotónica cuánticas es aumentar la fuerza de la interacción entre la luz y la materia para producir, por ejemplo, mejores fotodetectores o fuentes de luz cuánticas. La mejor manera de hacerlo es utilizar resonadores ópticos que almacenen la luz durante mucho tiempo, haciéndola interactuar más fuertemente con la materia. Si el resonador también es muy pequeño, de modo que la luz se comprime en una pequeña región del espacio, la interacción se mejora aún más. El resonador ideal almacenaría luz durante mucho tiempo en una región del tamaño de un solo átomo.
Los físicos e ingenieros han luchado durante décadas sobre cómo se pueden fabricar pequeños resonadores ópticos sin que tengan muchas "pérdidas", lo que equivale a preguntarse qué tan pequeño se puede fabricar un dispositivo semiconductor. La hoja de ruta de la industria de los semiconductores para los próximos 15 años predice que el ancho más pequeño posible de una estructura semiconductora no será inferior a 8 nm, lo que equivale a varias decenas de átomos de ancho.
El equipo detrás de un nuevo artículo, el profesor asociado Søren Stobbe y sus colegas de DTU Electro, demostraron cavidades de 8 nm el año pasado, pero ahora proponen y demuestran un enfoque novedoso para fabricar una cavidad autoensamblable con un vacío de aire a escala de un pocos átomos. Su artículo, "Cavidades fotónicas autoensambladas con confinamiento a escala atómica", que detalla los resultados se publica en Nature. .
Para explicar brevemente el experimento, dos mitades de estructuras de silicio se suspenden sobre resortes, aunque en el primer paso, el dispositivo de silicio se fija firmemente a una capa de vidrio. Los dispositivos están fabricados con tecnología de semiconductores convencional, por lo que las dos mitades están separadas por unas pocas decenas de nanómetros.
Tras el grabado selectivo del vidrio, la estructura se libera y ahora sólo queda suspendida por los resortes, y debido a que las dos mitades están fabricadas tan cerca una de la otra, se atraen debido a las fuerzas superficiales. Al diseñar cuidadosamente el diseño de las estructuras de silicio, el resultado es un resonador autoensamblado con espacios en forma de pajarita a escala atómica rodeados por espejos de silicio.
"Estamos lejos de un circuito que se construye por sí solo, pero hemos conseguido hacer converger dos enfoques que hasta ahora avanzaban por caminos paralelos y nos ha permitido construir un resonador de silicio con una miniaturización sin precedentes", afirma Søren Stobbe.
Un enfoque, el de arriba hacia abajo, está detrás del espectacular desarrollo que hemos visto en las tecnologías de semiconductores basadas en silicio. En este caso, dicho de forma cruda, se parte de un bloque de silicio y se trabaja para crear nanoestructuras a partir de él. El otro enfoque, el enfoque ascendente, consiste en intentar que un sistema nanotecnológico se monte por sí solo. Su objetivo es imitar sistemas biológicos, como plantas o animales, construidos mediante procesos biológicos o químicos.
Estos dos enfoques son el núcleo mismo de lo que define la nanotecnología. Pero el problema es que estos dos enfoques hasta ahora estaban desconectados:los semiconductores son escalables pero no pueden alcanzar la escala atómica, y aunque las estructuras autoensambladas han estado operando durante mucho tiempo a escalas atómicas, no ofrecen ninguna arquitectura para las interconexiones con el mundo externo. /P>
"Lo interesante sería si pudiéramos producir un circuito electrónico que se construyera a sí mismo, tal como sucede con los humanos a medida que crecen, pero con materiales semiconductores inorgánicos. Eso sería un verdadero autoensamblaje jerárquico", dice Guillermo Arregui, quien co-supervisó el proyecto.
"Utilizamos el nuevo concepto de autoensamblaje para resonadores fotónicos, que pueden usarse en electrónica, nanorobótica, sensores, tecnologías cuánticas y mucho más. Entonces, realmente podríamos aprovechar todo el potencial de la nanotecnología. La comunidad científica está Aún faltan muchos avances para hacer realidad esa visión, pero espero que hayamos dado los primeros pasos".
Enfoques convergentes
Suponiendo que es posible una combinación de los dos enfoques, el equipo de DTU Electro se propuso crear nanoestructuras que superen los límites de la litografía y el grabado convencionales a pesar de utilizar nada más que litografía y grabado convencionales. Su idea era utilizar dos fuerzas superficiales, a saber, la fuerza de Casimir para atraer las dos mitades y la fuerza de Van der Waals para hacer que se pegaran. Estas dos fuerzas tienen su origen en el mismo efecto subyacente:las fluctuaciones cuánticas.
Los investigadores crearon cavidades fotónicas que confinan los fotones en espacios de aire tan pequeños que determinar su tamaño exacto fue imposible, incluso con un microscopio electrónico de transmisión. Pero los más pequeños que construyeron tienen un tamaño de 1 a 3 átomos de silicio.
"Incluso si el autoensamblaje se ocupa de alcanzar estas dimensiones extremas, los requisitos para la nanofabricación no son menos extremos. Por ejemplo, las imperfecciones estructurales suelen ser de la escala de varios nanómetros. Sin embargo, si hay defectos a esta escala, el dos mitades sólo se unirán y tocarán en los tres defectos más grandes. Realmente estamos superando los límites, a pesar de que fabricamos nuestros dispositivos en una de las mejores salas limpias universitarias del mundo", afirma Ali Nawaz Babar, Ph.D. estudiante del Centro de Excelencia NanoPhoton de DTU Electro y primer autor del nuevo artículo.
"La ventaja del autoensamblaje es que puedes hacer cosas pequeñas. Puedes construir materiales únicos con propiedades sorprendentes. Pero hoy en día, no puedes usarlo para nada que se conecte a una toma de corriente. No puedes conectarlo a la red eléctrica". resto del mundo. Por lo tanto, necesitas toda la tecnología de semiconductores habitual para fabricar los cables o guías de ondas para conectar lo que sea que hayas ensamblado tú mismo al mundo externo".
El artículo muestra una posible manera de vincular los dos enfoques de la nanotecnología mediante el empleo de una nueva generación de tecnología de fabricación que combina las dimensiones atómicas permitidas por el autoensamblaje con la escalabilidad de los semiconductores fabricados con métodos convencionales.
"No tenemos que ir a buscar estas cavidades después e insertarlas en otra arquitectura de chip. Eso también sería imposible debido a su pequeño tamaño. En otras palabras, estamos construyendo algo en la escala de un átomo ya insertado en un circuito macroscópico Estamos muy entusiasmados con esta nueva línea de investigación y hay mucho trabajo por delante", afirma Søren Stobbe.
Más información: Søren Stobbe, Cavidades fotónicas autoensambladas con confinamiento a escala atómica, Naturaleza (2023). DOI:10.1038/s41586-023-06736-8. www.nature.com/articles/s41586-023-06736-8
Información de la revista: Naturaleza
Proporcionado por la Universidad Técnica de Dinamarca
