光的約束

通常，我們將光視為是空間中傳播的電磁波。但實(shí)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(qiáng)光的電場強(qiáng)度，進(jìn)而加強(qiáng)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?yàn)檫@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(shí)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。

2022年，物理學(xué)家S?ren Stobbe與同事在一篇論文中表明，他們制造出了一種新的納米級的領(lǐng)結(jié)結(jié)構(gòu)（圖片中央的部分），可用于壓縮光。

去年，丹麥技術(shù)大學(xué)（DTU）的物理學(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。

在更進(jìn)一步的研究中，Stobbe利用一種新的方法，制造出了最小間隙只有幾個原子寬的領(lǐng)結(jié)結(jié)構(gòu)。

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(shí)現(xiàn)自組裝。

這兩種方法實(shí)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(yùn)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(shí)驗(yàn)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)?；兜膶挾仁遣煌?，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?，只留下由彈簧支撐的硅元件?strong>當(dāng)兩個硅表面以納米級的間隙接近時(shí)，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。

這種自組裝空腔可以被集成到更大的自組裝元件中。圖像顯示了嵌入在包含多個自組裝元件的電路中的光學(xué)腔。

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(shí)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(dú)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(shí)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