โพรงซิลิคอนดักจับแสงที่เล็กที่สุดในโลกเกิด: การประกอบตัวเองที่ระดับอะตอมจะสร้างแหล่งกำเนิดแสงควอนตัม

การเพิ่มความแข็งแกร่งของปฏิสัมพันธ์ระหว่างแสงและสสารเพื่อสร้างเครื่องตรวจจับแสงหรือแหล่งกำเนิดแสงควอนตัมที่ดีขึ้นเป็นเป้าหมายสำคัญของเลนส์ควอนตัมและโฟโตนิกส์
และวิธีที่ดีที่สุดในการทำเช่นนั้นคือการใช้ตัวสะท้อนแสงที่เก็บแสงไว้เป็นระยะเวลานานเพื่อให้ปฏิสัมพันธ์กับสสารมีความเข้มข้นมากขึ้น หากตัวสะท้อนกลับมีขนาดกะทัดรัดเช่นกัน โดยบีบอัดแสงลงในพื้นที่ขนาดเล็กมาก ปฏิกิริยาดังกล่าวก็จะขยายออกไปอีก ในเครื่องสะท้อนเสียงที่สมบูรณ์แบบ พื้นที่ขนาดเท่าอะตอมสามารถกักเก็บแสงได้เป็นเวลานาน
ความท้าทายของการย่อขนาดเครื่องสะท้อนเสียง
เป็นเวลาหลายทศวรรษแล้วที่วิศวกรและนักฟิสิกส์ต้องต่อสู้กับปัญหาในการสร้างตัวสะท้อนแสงขนาดเล็กโดยไม่ทำให้ประสิทธิภาพลดลง คล้ายกับวิธีการสร้างอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ขนาดเล็ก แผนงานของอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ในอีก 15 ปีข้างหน้าคาดการณ์ว่าความกว้างที่เล็กที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ของโครงสร้างเซมิคอนดักเตอร์จะต้องไม่น้อยกว่า 8 นาโนเมตร ซึ่งเป็นความกว้างสิบอะตอม
ช่องที่ประกอบเองที่อธิบายไว้สามารถรวมเข้ากับชุดประกอบที่ประกอบเองขนาดใหญ่เพื่อกำหนดเส้นทางแสงรอบชิปออปติคัล รูปนี้แสดงช่องแสงที่ฝังอยู่ในวงจรที่มีส่วนประกอบหลายชิ้นที่ประกอบขึ้นเอง
แนวทางใหม่เอาชนะสภาวะสุดขั้ว
เมื่อปีที่แล้ว รองศาสตราจารย์ S?ren Stobbe ของ DTU Electro และเพื่อนร่วมงานของเขาได้ตีพิมพ์บทความใหม่ในวารสาร Nature ซึ่งพวกเขาได้แสดงให้เห็นฟันผุขนาด 8 นาโนเมตร แต่ตอนนี้พวกเขาได้เสนอและสาธิตวิธีการใหม่ในการสร้างฟันผุที่ประกอบขึ้นเองโดยมีช่องว่างอากาศอยู่ ขนาดของอะตอมเพียงไม่กี่อะตอม บทความของพวกเขาเรื่อง "โพรงโฟโตนิกที่ประกอบขึ้นเองโดยมีข้อ จำกัด ในระดับอะตอม" ให้รายละเอียดเกี่ยวกับผลการวิจัยซึ่งตีพิมพ์ในวารสาร Nature ฉบับวันที่ 6 ธันวาคม
ในการทดลองนี้ โครงสร้างซิลิคอนสองซีกถูก "แขวน" จากสปริง และในขั้นตอนแรก อุปกรณ์ซิลิกอนถูกยึดอย่างแน่นหนากับชั้นของแก้ว อุปกรณ์นี้ผลิตขึ้นโดยใช้เทคโนโลยีเซมิคอนดักเตอร์แบบเดิม ดังนั้นระยะห่างระหว่างทั้งสองซีกจึงอยู่เพียงไม่กี่สิบนาโนเมตร เมื่อกระจกได้รับการแกะสลักอย่างเฉพาะเจาะจง โครงสร้างจะถูกปล่อยออก และตอนนี้ก็มีเพียงสปริงรองรับไว้เท่านั้น
เนื่องจากทั้งสองส่วนเชื่อมต่อกันอย่างใกล้ชิด แรงพื้นผิวจึงดึงดูดกัน ผลลัพธ์ที่ได้คือเครื่องสะท้อนเสียงที่ประกอบขึ้นเองโดยมีกระจกซิลิคอนล้อมรอบช่องว่างรูปโบว์ในระดับอะตอม ซึ่งถูกสร้างขึ้นโดยการสร้างโครงสร้างของโครงสร้างซิลิคอนอย่างระมัดระวัง
นักวิจัยยังห่างไกลจากวงจรที่สร้างขึ้นเองทั้งหมด แต่พวกเขาสามารถหลอมรวมสองแนวทางที่เคยเดินทางไปตามรางคู่ขนานเพื่อสร้างตัวสะท้อนเสียงแบบซิลิคอนที่ไม่เคยมีการย่อส่วนมาก่อน
ความก้าวหน้าในเทคโนโลยีเซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้ซิลิคอนเกิดขึ้นได้ด้วยวิธีการหนึ่งที่เรียกว่า "วิธีจากบนลงล่าง" อีกแนวทางหนึ่งเรียกว่าเทคโนโลยี "จากล่างขึ้นบน": พยายามทำให้ระบบนาโนเทคโนโลยีประกอบกันเอง กุญแจสำคัญในการวิจัยของพวกเขาอยู่ที่การผสมผสานทั้งสองแนวทางเข้าด้วยกัน
การศึกษานี้แสดงให้เห็นถึงเทคนิคที่เป็นไปได้ในการเชื่อมโยงแนวทางนาโนเทคโนโลยีทั้งสองเข้าด้วยกันโดยใช้เทคนิคการผลิตรุ่นใหม่ที่รวมขนาดอะตอมที่ได้จากการประกอบตัวเองเข้ากับความสามารถในการปรับขนาดของเซมิคอนดักเตอร์ที่ผลิตตามอัตภาพ
ด้วยการสร้างโพรงโฟโตนิก นักวิจัยสามารถจำกัดโฟตอนในช่องว่างอากาศที่เล็กมากจนไม่สามารถวัดได้อย่างแม่นยำ แม้จะใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านก็ตาม อย่างไรก็ตาม ที่เล็กที่สุดที่พวกเขาสร้างมีขนาดอะตอมของซิลิคอนเพียง 1-3 อะตอม สร้างสถิติใหม่สำหรับโพรงซิลิคอนดักจับแสงในปริมาณเล็กน้อย
เราไม่จำเป็นต้องค้นหาโพรงเหล่านี้ในภายหลังและแทรกเข้าไปในสถาปัตยกรรมชิปอื่น" Stobbe กล่าว นั่นก็เป็นไปไม่ได้เช่นกันเพราะมันเล็กมาก กล่าวอีกนัยหนึ่ง เรากำลังสร้างบางสิ่งในระดับอะตอมที่ถูกแทรกเข้าไป เข้าสู่วงจรขนาดมหภาค เราตื่นเต้นมากกับทิศทางการวิจัยใหม่นี้ และยังมีงานอีกมากรออยู่ข้างหน้า"