Nasce a menor cavidade de silício com retenção de luz do mundo: automontagem em nível atômico gera fontes de luz quântica

Aumentar a força da interação entre a luz e a matéria para produzir melhores fotodetectores ou fontes de luz quântica é um objetivo fundamental da óptica quântica e da fotônica.
E a melhor maneira de fazer isso é usar ressonadores ópticos que armazenam luz por longos períodos de tempo para que sua interação com a matéria se torne mais forte. Se o ressonador também for muito compacto, comprimindo a luz em uma região muito pequena do espaço, a interação será ainda mais amplificada. No ressonador perfeito, uma região do tamanho de um átomo pode armazenar luz por longos períodos de tempo.
O desafio da miniaturização do ressonador
Durante décadas, engenheiros e físicos lutaram com o problema de como fazer pequenos ressonadores ópticos sem sacrificar seu desempenho, semelhante à forma como pequenos dispositivos semicondutores devem ser construídos. O roteiro da indústria de semicondutores para os próximos 15 anos prevê que a menor largura possível de uma estrutura de semicondutores não será inferior a 8 nm, que é a largura de dezenas de átomos.
As cavidades automontadas descritas podem ser integradas em conjuntos automontados maiores para direcionar a luz em torno de um chip óptico. A figura mostra uma cavidade óptica embutida em um circuito contendo vários componentes automontados.
Nova abordagem supera condições extremas
No ano passado, o professor associado da DTU Electro, Søren Stobbe, e seus colegas publicaram um novo artigo na revista Nature no qual demonstraram cavidades de 8 nm, mas agora propuseram e demonstraram um novo método para criar cavidades automontadas com vazios de ar em a escala de alguns átomos. O artigo deles, "Cavidades fotônicas auto-montadas com restrições em escala atômica", detalha as descobertas, publicadas na edição de 6 de dezembro da Nature.
Neste experimento, duas metades de uma estrutura de silício foram “suspensas” por uma mola e, na primeira etapa, o dispositivo de silício foi firmemente preso a uma camada de vidro. O dispositivo foi fabricado com tecnologia de semicondutores convencional, de modo que a distância entre as duas metades era de apenas algumas dezenas de nanômetros. Uma vez que o vidro tenha sido gravado seletivamente, a estrutura é liberada e agora é simplesmente suportada pela mola.
Como as duas partes estão intimamente ligadas, as forças superficiais fazem com que elas se atraiam. O resultado é um ressonador automontado com espelhos de silício circundando lacunas em forma de gravata borboleta em escala atômica, que foi criado pela elaboração cuidadosa da estrutura da estrutura de silício.
Os pesquisadores ainda estão longe de um circuito totalmente autoconstruído. Mas eles conseguiram fundir duas abordagens que até agora percorreram caminhos paralelos para criar um ressonador de silício que nunca havia sido miniaturizado antes.
Os avanços na tecnologia de semicondutores baseados em silício foram possíveis graças a uma abordagem específica, conhecida como "método de cima para baixo". Outra abordagem é conhecida como tecnologia “de baixo para cima”: tentar fazer com que os sistemas nanotecnológicos se montem sozinhos. A chave para sua pesquisa reside na combinação dessas duas abordagens.
O estudo demonstra uma técnica viável para ligar as duas abordagens de nanotecnologia, empregando uma nova geração de técnicas de fabricação que combinam o tamanho atômico oferecido pela automontagem com a escalabilidade de semicondutores produzidos convencionalmente.
Ao fabricar cavidades fotónicas, os investigadores conseguiram confinar os fotões em espaços de ar tão pequenos que não podiam ser medidos com precisão, mesmo com um microscópio electrónico de transmissão. No entanto, o menor que eles construíram tinha apenas 1-3 átomos de silício, estabelecendo um novo recorde para um pequeno volume de cavidades de silício que retêm luz.
Não precisamos encontrar essas cavidades mais tarde e inseri-las em outra arquitetura de chip", disse Stobbe. Isso também não é possível porque é muito pequeno. Em outras palavras, estamos construindo algo na escala de um átomo que foi inserido em um circuito macroscópico. Estamos muito entusiasmados com esta nova direção de pesquisa e há muito trabalho pela frente."