介紹一種新的可以約束光的納米級領(lǐng)結(jié)結(jié)構(gòu)

結(jié)合自下而上和自上而下兩種方法，利用兩種表面力，制備出可以用來約束光的、原子級尺度的領(lǐng)結(jié)型間隙，在電子學(xué)、納米機(jī)器人、傳感器、量子技術(shù)等領(lǐng)域具有巨大潛力。

光的約束

通常，我們將光視為是空間中傳播的電磁波。但實際上，光也可以被短暫地困在一個很小的區(qū)域內(nèi)。這種對光的約束可以增加它的能量密度，增強光的電場強度，進(jìn)而加強光與物質(zhì)之間的相互作用。

增加光與物質(zhì)之間的相互作用，是量子光學(xué)和光子學(xué)研究領(lǐng)域的一個主要目標(biāo)，因為這有助于制造出更好的光電探測器或量子光源。目前，最好的光約束技術(shù)之一是使用硅，來制作微小的光學(xué)共振腔（optical resonator）。理想的共振腔能將光約束在單原子大小的區(qū)域內(nèi)，但這非常難以做到。

幾十年來，科學(xué)家一直在努力研究如何在不造成嚴(yán)重?fù)p耗的情況下，制造出盡可能小的光學(xué)共振腔，這個問題事實上等同于詢問最小的半導(dǎo)體器件為多大。根據(jù)半導(dǎo)體行業(yè)的預(yù)測，在2037年之前，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的最小可能寬度將不小于8納米，也就是幾十個原子的厚度。

去年，物理學(xué)家S?ren Stobbe和他的同事在《自然通訊》雜志上發(fā)表了一篇論文，表明他們利用硅制造出了有著領(lǐng)結(jié)結(jié)構(gòu)的可用于約束光的空腔，且這個“領(lǐng)結(jié)”的連接處的厚度只有8納米。

現(xiàn)在，在一篇新發(fā)表于《自然》雜志的論文中，Stobbe與同事提出并展示了一種新的方法，可以進(jìn)一步縮小這一結(jié)構(gòu)，制造出“領(lǐng)結(jié)”的連接處只有幾個原子厚的自組裝空腔。

兩種方法的結(jié)合

在新的研究中，為了能制造一個前所未有的小型硅共振腔，研究人員考慮了兩種方法：一種是自上而下的——從一塊硅塊開始制造納米級的硅結(jié)構(gòu)；另一種是自下而上的——讓納米系統(tǒng)像生物系統(tǒng)那樣實現(xiàn)自組裝。

這兩種方法實則是納米技術(shù)的核心，但問題是，它們到目前為止都是脫節(jié)的：半導(dǎo)體雖然是可伸縮的，但尚且不能達(dá)到原子尺度；自組裝結(jié)構(gòu)雖然長期以來一直在原子級尺度上運行，但不能提供與外部世界相互連接的架構(gòu)。

因此，研究人員想，假設(shè)能讓這兩種方法結(jié)合，是否就能使用無機(jī)半導(dǎo)體材料制造出一種能自我構(gòu)建的裝置？他們的想法是對兩種表面力加以利用，一種是卡西米爾力，另一種是范德華力。卡西米爾力能使兩個相距很近的表面相互吸引，而范德華力則能使兩個表面粘在一起。這兩種力根植于相同的效應(yīng)——量子漲落。

一種從硅結(jié)構(gòu)中創(chuàng)造出納米級特征的方法。（圖/Nature）

在實驗中，為了制作出一個具有納米級間隙的可用于約束光的硅結(jié)構(gòu)，研究人員首先將一個厚220納米的硅層，附著在一層二氧化硅上。然后，他們利用傳統(tǒng)的半導(dǎo)體技術(shù)，將硅層制作成了兩個中間夾有一個幾十納米寬的間隙（基隙）的結(jié)構(gòu)。基隙的寬度是不同的，在某些位置上要更寬一些。整個結(jié)構(gòu)都通過用硅制成的彈簧而固定在一個硅框架上。

接著，他們?nèi)コ说紫碌亩趸鑼樱涣粝掠蓮椈芍蔚墓柙?。?dāng)兩個硅表面以納米級的間隙接近時，它們會受到卡西米爾-范德華力的吸引而自發(fā)地聚在一起，使得間隙完全閉合。但由于間隙的寬度在不同區(qū)域有所不同，于是就形成了一個自組裝的共振腔，具有可以用來約束光的、原子級尺度的領(lǐng)結(jié)形間隙。

自組裝的前景

利用一種能將兩種納米技術(shù)的方法聯(lián)系在一起的新方法，研究人員成功地制造出了能將光子約束在空氣間隙非常小的光子腔。由于這一間隙實在是太微小了，即使用透射電子顯微鏡也無法精確確定這些微小結(jié)構(gòu)的確切尺寸。

研究人員表示，自組裝的優(yōu)勢在于它可以用于制造非常微小的東西，建造具有驚人性能的獨特材料。因此，這種新的方法有助于讓納米技術(shù)充分發(fā)揮其潛力，對于電子學(xué)、納米機(jī)器人、傳感器、量子技術(shù)等領(lǐng)域都將具有潛在應(yīng)用。

不過，研究人員指出，我們距離將它們變成現(xiàn)實還有一段距離，還有很多困難需要突破。但新的研究成果代表著，我們已經(jīng)向?qū)崿F(xiàn)這些愿景邁出了第一步。

審核編輯：劉清