'Verdens mindste foton' indespærret i dielektrisk nanokavitet

'Verdens mindste foton' indespærret i dielektrisk nanokavitet

Tidsstempel: 16. december 2022 kl. 6:59
Kildeknude: 1777886

Den nye bowtie-struktur komprimerer lyset rumligt. Nanostrukturerne omkring det gemmer det midlertidigt. Resultatet er en komprimering af lys til den mindste skala til dato
Illustration af den nye bowtie struktur, som kan ses i midten af ​​billedet. (Tillykke: DTU)

Forskere har for første gang begrænset lys til dimensioner mindre end diffraktionsgrænsen i et dielektrisk hulrum i nanostørrelse. Arbejdet, som bekræfter en teoretisk forudsigelse lavet i 2006, kunne fremme udviklingen af ​​nye optiske chip-arkitekturer, der forbruger mindre energi end deres elektriske modstykker.

Klassisk optikteori siger, at lys ikke kan fokuseres til et volumen mindre end en terning med en sidelængde på halvdelen af ​​dens bølgelængde. Dette er diffraktionsgrænsen, og det begrænser opløsningen af ​​optiske mikroskoper. I de senere år har forskere dog brugt metalnanopartikler til at komprimere i stedet for at fokusere lys. Dette komprimerede lys er mere intenst og interagerer stærkere med stof.

Problemet med metalnanopartikler er imidlertid, at de absorberer lys samt komprimerer det, hvilket fører til optiske tab. Partikler lavet af dielektriske materialer burde være bedre, da de ikke absorberer lys så stærkt, og i 2006 et hold ledet af Michael Lipson ved Columbia University i USA viste, at det i teorien burde virke at erstatte dem.

Topologi optimering

I den seneste undersøgelse har forskere i NanoPhoton Center ved Danmarks Tekniske Universitet (DTU) fremstillet deres optiske hulrum i nanoskala af silicium, det dielektriske materiale til arbejdshusmateriale i moderne informationsteknologi. Ligesom andre sådanne hulrum er den nye nanostruktur designet til at fastholde lyset ved at reflektere det frem og tilbage mellem to spejle, så det ikke forplanter sig, som det plejer.

For at designe hulrummet brugte forskerne en teknik kaldet topologioptimering, som blev udviklet af et teammedlem Ole Sigmund, som oprindeligt brugte det til at designe broer og flyvinger. "I stedet for at starte med et designkoncept og så måske tilføje nogle elementer af numerisk optimering omkring dette udgangspunkt, lader vi en computer finde det optimale design - altså det, der komprimerer lyset mest intenst i det optiske hulrum," forklarer teamlederen. Søren Stobbe.

Det resulterende computergenererede hulrumsdesign har en sløjfe-lignende struktur i midten, der rumligt begrænser lyset. En ringlignende struktur, der omgiver sløjfebåndet, hjælper med at booste hulrummets kvalitetsfaktor – en iboende egenskab ved resonatorer, der relaterer til styrken af ​​tabsmekanismer.

Nanofabrikationsudfordringer

Det var svært at fremstille dette design, siger Stobbe. For at konstruere den skulle de bygge en 8 nm siliciumbro i midten af ​​bowtie-strukturen, som igen skulle ætses helt ind i 220 nm siliciumenhedslaget med næsten lodrette sidevægge. Dette ville være en krævende nanofabrikationsopgave i sig selv, men forskerne skulle også tage fat på en endnu vigtigere udfordring: I modsætning til konventionelle nanokaviteter baseret på for eksempel fotoniske krystaller eller mikrosøjler, spiller den kritiske dimension en nøglerolle for bowtie-hulrum.

"Faktisk afhænger modusvolumen af ​​hulrummet af, hvor små funktionerne en given fremstillingsproces muliggør," fortæller Stobbe Fysik verden, “men at ændre processen ændrer også det optimale design. Vi løste dette ved at måle fabrikationsbegrænsningerne og inkludere disse i topologioptimeringen. Denne tilgang, som er den første inden for ethvert forsknings- eller ingeniørområde, sikrer, at vi får det mindst mulige modevolumen givet af vores fremstillingsproces."

Arbejdet kan gøre det muligt at udvikle energibesparende optiske chip-arkitekturer til komponenter i datacentre, computere og telefoner, siger forskerne. De udforsker nu flere nye retninger, herunder implantering af lysgivere inde i silicium. "Dette ville give [os] mulighed for direkte at måle forbedringen af ​​lys-stof-interaktioner over de store båndbredder, som vores hulrum muliggør," forklarer Stobbe.

Et andet aspekt, der undersøges, vil være at skubbe den kritiske dimension af hulrummene, som allerede er tæt på den mulige størrelsesgrænse. Det vil kræve helt nye metoder til siliciumnanofabrikation ved hjælp af selvmontering, hvilket ser ud til at være yderst lovende, afslører Stobbe.

Nærværende arbejde er detaljeret i Nature Communications.

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden