Un objectif central de l’optique et de la photonique quantiques est d’augmenter la force de l’interaction entre la lumière et la matière pour produire, par exemple, de meilleurs photodétecteurs ou sources de lumière quantique. La meilleure façon d’y parvenir est d’utiliser des résonateurs optiques qui stockent la lumière pendant une longue période, la faisant ainsi interagir plus fortement avec la matière. Si le résonateur est également très petit, de sorte que la lumière soit concentrée dans une minuscule région de l’espace, l’interaction est encore renforcée. Le résonateur idéal stockerait la lumière pendant une longue période dans une région de la taille d'un seul atome.
Les physiciens et les ingénieurs se demandent depuis des décennies comment fabriquer de petits résonateurs optiques sans les rendre très « avec perte », ce qui équivaut à se demander jusqu'à quel point un dispositif à semi-conducteur peut être petit. La feuille de route de l'industrie des semi-conducteurs pour les 15 prochaines années prévoit que la largeur la plus petite possible d'une structure semi-conductrice ne sera pas inférieure à 8 nm, soit une largeur de plusieurs dizaines d'atomes.
L'équipe à l'origine d'un nouvel article, le professeur agrégé Søren Stobbe et ses collègues de DTU Electro, ont démontré l'année dernière des cavités de 8 nm, mais ils proposent et démontrent désormais une nouvelle approche pour fabriquer une cavité à auto-assemblage avec un vide d'air à l'échelle d'un quelques atomes. Leur article, "Cavités photoniques auto-assemblées avec confinement à l'échelle atomique", détaillant les résultats, est publié dans Nature. .
Pour expliquer brièvement l'expérience, deux moitiés de structures en silicium sont suspendues à des ressorts, bien que dans un premier temps, le dispositif en silicium soit fermement fixé à une couche de verre. Les dispositifs sont fabriqués selon la technologie conventionnelle des semi-conducteurs, de sorte que les deux moitiés sont distantes de quelques dizaines de nanomètres.
Lors de la gravure sélective du verre, la structure est libérée et n'est plus suspendue que par les ressorts. Comme les deux moitiés sont fabriquées si près l'une de l'autre, elles s'attirent en raison des forces de surface. En concevant soigneusement la conception des structures de silicium, le résultat est un résonateur auto-assemblé avec des espaces en forme de nœud papillon à l'échelle atomique entourés de miroirs en silicium.
"Nous sommes loin d'un circuit qui se construit complètement tout seul. Mais nous avons réussi à faire converger deux approches qui avançaient jusqu'à présent sur des voies parallèles. Et cela nous a permis de construire un résonateur en silicium avec une miniaturisation sans précédent", explique Søren Stobbe.
Une approche – l’approche descendante – est à l’origine du développement spectaculaire que nous avons observé avec les technologies de semi-conducteurs à base de silicium. Ici, en gros, vous partez d’un bloc de silicium et travaillez à la fabrication de nanostructures à partir de celui-ci. L'autre approche, l'approche ascendante, consiste à essayer de créer un système nanotechnologique lui-même. Il vise à imiter des systèmes biologiques, tels que des plantes ou des animaux, construits grâce à des processus biologiques ou chimiques.
Ces deux approches sont au cœur même de ce qui définit les nanotechnologies. Mais le problème est que ces deux approches étaient jusqu'à présent déconnectées :les semi-conducteurs sont évolutifs mais ne peuvent pas atteindre l'échelle atomique, et bien que les structures auto-assemblées fonctionnent depuis longtemps à l'échelle atomique, elles n'offrent aucune architecture pour les interconnexions avec le monde extérieur. /P>
"Ce qui serait intéressant, ce serait si nous pouvions produire un circuit électronique qui se construit tout seul, comme ce qui arrive aux humains à mesure qu'ils grandissent, mais avec des matériaux semi-conducteurs inorganiques. Ce serait un véritable auto-assemblage hiérarchique", explique Guillermo Arregui, qui a co-supervisé le projet.
"Nous utilisons le nouveau concept d'auto-assemblage pour les résonateurs photoniques, qui peuvent être utilisés dans l'électronique, la nanorobotique, les capteurs, les technologies quantiques et bien plus encore. Nous serions alors réellement en mesure d'exploiter tout le potentiel de la nanotechnologie. La communauté des chercheurs est de nombreuses avancées nous séparent de la réalisation de cette vision, mais j'espère que nous avons fait les premiers pas."
Approches convergentes
En supposant qu'une combinaison des deux approches soit possible, l'équipe de DTU Electro a entrepris de créer des nanostructures qui dépassent les limites de la lithographie et de la gravure conventionnelles, même si elles n'utilisent rien d'autre que la lithographie et la gravure conventionnelles. Leur idée était d'utiliser deux forces de surface, à savoir la force de Casimir pour attirer les deux moitiés et la force de Van der Waals pour les faire coller ensemble. Ces deux forces sont enracinées dans le même effet sous-jacent :les fluctuations quantiques.
Les chercheurs ont créé des cavités photoniques qui confinent les photons dans des entrefers si petits qu’il était impossible de déterminer leur taille exacte, même avec un microscope électronique à transmission. Mais les plus petits qu'ils ont construits ont une taille de 1 à 3 atomes de silicium.
"Même si l'auto-assemblage veille à atteindre ces dimensions extrêmes, les exigences de la nanofabrication n'en sont pas moins extrêmes. Par exemple, les imperfections structurelles sont typiquement à l'échelle de plusieurs nanomètres. Pourtant, s'il y a des défauts à cette échelle, le "Nous repoussons vraiment les limites ici, même si nous fabriquons nos appareils dans l'une des meilleures salles blanches universitaires au monde", déclare Ali Nawaz Babar, titulaire d'un doctorat. étudiant au Centre d'excellence NanoPhoton de DTU Electro et premier auteur du nouvel article.
"L'avantage de l'auto-assemblage est que vous pouvez fabriquer de petites choses. Vous pouvez construire des matériaux uniques avec des propriétés étonnantes. Mais aujourd'hui, vous ne pouvez pas l'utiliser pour quoi que ce soit que vous branchez sur une prise de courant. Vous ne pouvez pas le connecter au secteur. reste du monde. Vous avez donc besoin de toute la technologie habituelle des semi-conducteurs pour fabriquer les fils ou les guides d'ondes permettant de connecter tout ce que vous avez auto-assemblé au monde extérieur. "
L'article montre un moyen possible de relier les deux approches nanotechnologiques en employant une nouvelle génération de technologie de fabrication qui combine les dimensions atomiques permises par l'auto-assemblage avec l'évolutivité des semi-conducteurs fabriqués avec des méthodes conventionnelles.
"Nous n'avons pas besoin d'aller chercher ces cavités par la suite et de les insérer dans une autre architecture de puce. Cela serait également impossible en raison de leur petite taille. En d'autres termes, nous construisons quelque chose à l'échelle d'un atome déjà inséré dans un circuit macroscopique. Nous sommes très enthousiasmés par cette nouvelle ligne de recherche et beaucoup de travail nous attend", déclare Søren Stobbe.
Plus d'informations : Søren Stobbe, Cavités photoniques auto-assemblées avec confinement à l'échelle atomique, Nature (2023). DOI :10.1038/s41586-023-06736-8. www.nature.com/articles/s41586-023-06736-8
Informations sur le journal : Nature
Fourni par l'Université technique du Danemark
