Nace la cavidad de silicio que atrapa la luz más pequeña del mundo: el autoensamblaje a nivel atómico genera fuentes de luz cuánticas

Aumentar la fuerza de la interacción entre la luz y la materia para producir mejores fotodetectores o fuentes de luz cuánticas es un objetivo clave de la óptica y la fotónica cuánticas.
Y la mejor manera de hacerlo es utilizar resonadores ópticos que almacenen luz durante largos períodos de tiempo para que su interacción con la materia se vuelva más fuerte. Si el resonador también es muy compacto y comprime la luz en una región muy pequeña del espacio, la interacción se amplifica aún más. En el resonador perfecto, una región del tamaño de un átomo puede almacenar luz durante largos períodos de tiempo.
El desafío de la miniaturización de resonadores
Durante décadas, ingenieros y físicos han lidiado con el problema de cómo fabricar pequeños resonadores ópticos sin sacrificar su rendimiento, de forma similar a cómo se deben construir los pequeños dispositivos semiconductores. La hoja de ruta de la industria de los semiconductores para los próximos 15 años predice que la anchura más pequeña posible de una estructura semiconductora no será inferior a 8 nm, que es la anchura de decenas de átomos.
Las cavidades autoensambladas descritas se pueden integrar en conjuntos autoensamblados más grandes para guiar la luz alrededor de un chip óptico. La figura muestra una cavidad óptica integrada en un circuito que contiene múltiples componentes autoensamblados.
Un nuevo enfoque supera las condiciones extremas
El año pasado, el profesor asociado de DTU Electro, Søren Stobbe, y sus colegas publicaron un nuevo artículo en la revista Nature en el que demostraron cavidades de 8 nm, pero ahora han propuesto y demostrado un nuevo método para crear cavidades autoensambladas con huecos de aire en la escala de unos pocos átomos. Su artículo, "Cavidades fotónicas autoensambladas con restricciones a escala atómica", detalla los hallazgos, publicado en la edición del 6 de diciembre de Nature.
En este experimento, se "suspendieron" dos mitades de una estructura de silicio de un resorte y, en el primer paso, el dispositivo de silicio se fijó firmemente a una capa de vidrio. El dispositivo se fabricó utilizando tecnología de semiconductores convencional, por lo que la distancia entre las dos mitades era de sólo unas pocas decenas de nanómetros. Una vez que el vidrio ha sido grabado selectivamente, la estructura se libera y ahora simplemente queda sostenida por el resorte.
Como las dos partes están estrechamente conectadas, las fuerzas superficiales hacen que se atraigan entre sí. El resultado es un resonador autoensamblado con espejos de silicio que rodean espacios en forma de pajarita a escala atómica, que se creó elaborando cuidadosamente la estructura de la estructura de silicio.
Los investigadores aún están lejos de poder construir un circuito completamente autónomo. Pero han logrado fusionar dos enfoques que hasta ahora han seguido vías paralelas para crear un resonador de silicio que nunca antes se había miniaturizado.
Los avances en la tecnología de semiconductores basados ​​en silicio han sido posibles gracias a un enfoque particular, conocido como "método de arriba hacia abajo". Otro enfoque se conoce como tecnología "de abajo hacia arriba": tratar de hacer que los sistemas de nanotecnología se ensamblen solos. La clave de su investigación reside en combinar estos dos enfoques.
El estudio demuestra una técnica viable para vincular los dos enfoques de la nanotecnología mediante el empleo de una nueva generación de técnicas de fabricación que combinan el tamaño atómico que ofrece el autoensamblaje con la escalabilidad de los semiconductores producidos convencionalmente.
Al fabricar cavidades fotónicas, los investigadores pudieron confinar fotones en espacios de aire tan pequeños que no podían medirse con precisión, ni siquiera con un microscopio electrónico de transmisión. Sin embargo, el más pequeño que construyeron tenía solo 1-3 átomos de silicio, estableciendo un nuevo récord para un pequeño volumen de cavidades de silicio que atrapan la luz.
No necesitamos encontrar estas cavidades más tarde e insertarlas en otra arquitectura de chip", dijo Stobbe. Esto tampoco es posible porque es muy pequeño. En otras palabras, estamos construyendo algo en la escala de un átomo que se ha insertado en un circuito macroscópico. Estamos muy entusiasmados con esta nueva dirección de investigación y hay mucho trabajo por delante".