鲍蒂谐振器可以自行构建，填补纳米级和宏观级之间的空白

　　

　　量子光学和光子学的一个中心目标是增加光与物质之间相互作用的强度，从而产生更好的光电探测器或量子光源。最好的方法是使用长时间储存光的光学谐振器，使其与物质的相互作用更强。如果谐振腔也非常小，以至于光被压缩到一个很小的空间区域，那么相互作用就会进一步增强。理想的谐振器将光长时间储存在一个原子大小的区域内。

　　几十年来，物理学家和工程师们一直在努力研究如何在不造成严重损耗的情况下制造出小型光学谐振器，这相当于问你能制造多小的半导体器件。半导体行业未来15年的路线图预测，半导体结构的最小可能宽度将不小于8nm，这是几十个原子的宽度。

　　去年，DTU Electro的S?ren Stobbe副教授和他的同事们在《自然》杂志上发表了一篇新论文，他们展示了8纳米的空腔，但现在他们提出并展示了一种新方法，可以制造具有几个原子尺度的空气空洞的自组装空腔。他们的论文《原子尺度约束的自组装光子腔》今天发表在《自然》杂志上，详细介绍了研究结果。

　　为了简单地解释这个实验，硅结构的两半被悬挂在弹簧上，尽管在第一步中，硅装置被牢固地附着在一层玻璃上。这种装置是用传统的半导体技术制造的，所以两半之间的距离只有几十纳米。在选择性蚀刻玻璃后，结构被释放，现在只由弹簧悬浮，并且由于两半被制造得如此接近彼此，它们由于表面力而相互吸引。通过精心设计硅结构，结果是一个自组装的谐振器，在原子尺度上具有由硅镜包围的蝴蝶结形间隙。

　　“我们离一个完全自动构建的电路还很远。但我们已经成功地将两种迄今为止沿着平行轨道行进的方法融合在一起。它使我们能够建立一个前所未有的小型化硅谐振器，”S?ren Stobbe说。

　　两种不同的方法

　　一种方法——自上而下的方法——是我们所看到的硅基半导体技术的惊人发展背后的原因。在这里，粗略地说，你从一个硅块开始，用它们制造纳米结构。另一种方法——自下而上的方法——是你尝试让纳米技术系统自己组装起来。它旨在模仿生物系统，如植物或动物，通过生物或化学过程建立。这两种方法是定义纳米技术的核心。但问题是，这两种方法到目前为止是脱节的:半导体是可扩展的，但不能达到原子尺度，虽然自组装结构长期以来一直在原子尺度上运行，但它们没有提供与外部世界互连的架构。

　　“有趣的是，如果我们能制造出一种自我构建的电子电路，就像人类生长过程中发生的那样，但使用的是无机半导体材料。这才是真正的等级自组装。我们将新的自组装概念用于光子谐振器，可用于电子，纳米机器人，传感器，量子技术等领域。到那时，我们才真正能够充分发挥纳米技术的潜力。研究界距离实现这一愿景还有很多突破，但我希望我们已经迈出了第一步，”该项目的共同监督人员Guillermo Arregui说。

　　方法收敛

　　假设两种方法的结合是可能的，DTU Electro的团队开始创造超越传统光刻和蚀刻限制的纳米结构，尽管使用的只是传统的光刻和蚀刻。他们的想法是使用两种表面力，即卡西米尔力吸引两半，范德华力使它们粘在一起。这两种力根植于相同的潜在效应:量子涨落(见事实框)。

　　研究人员制造了光子腔，将光子限制在气隙中，如此之小，以至于即使用透射电子显微镜也无法确定它们的确切尺寸。但他们制造的最小的硅原子只有1-3个。

　　“即使自组装能够达到这些极端尺寸，对纳米制造的要求也同样极端。例如，结构缺陷通常在几纳米的尺度上。尽管如此，如果存在这种规模的缺陷，两半只会在三个最大的缺陷处相遇和接触。我们真的在挑战极限，尽管我们在世界上最好的大学洁净室之一制造我们的设备，”DTU Electro纳米光子卓越中心的博士生、这篇新论文的第一作者Ali Nawaz Babar说。

　　“自组装的优势在于你可以制造微小的东西。你可以建造具有惊人性能的独特材料。但是今天，你不能用它来插入任何电源插座。你无法将它与世界其他地方连接起来。所以，你需要所有常用的半导体技术来制造电线或波导，将你自己组装的任何东西连接到外部世界。”

　　坚固和准确的自组装

　　这篇论文展示了一种可能的方法，通过采用新一代的制造技术，将自组装的原子尺寸与传统方法制造的半导体的可扩展性结合起来，将两种纳米技术方法联系起来。

　　“我们不需要在之后找到这些空腔并将它们插入到另一个芯片架构中。这也是不可能的，因为它的体积很小。换句话说，我们正在建造一个已经插入宏观电路的原子规模的东西。我们对这条新的研究路线感到非常兴奋，前方还有大量的工作要做，”斯托布说。

　　表面力

　　已知的基本力有四种:引力、电磁力、强核力和弱核力。除了静态结构产生的力，例如带正电荷和带负电荷的粒子之间的电磁力，还可能存在波动产生的力。这种波动可能是热的，也可能是量子的，它们产生表面力，如范德华力和卡西米尔力，它们在不同的长度尺度上起作用，但植根于相同的基础物理。其他机制，如静电表面电荷，可以增加净表面力。例如，壁虎利用表面的力量附着在墙壁和天花板上。

　　怎么做的?

　　这篇论文详细介绍了研究人员在DTU实验室进行的三个实验:

　　在两个微芯片上制造了不少于2688个器件，每个芯片这个平台要么坍塌，要么到附近的硅墙上-或不崩溃，取决于表面面积的细节，弹簧常数，平台和墙壁之间的距离。这使得研究人员可以绘制出一个地图，显示哪些参数会——而且不愿意-导致确定性的自组装。o只有11个器件由于制造错误或其他缺陷而失效，对于一种新的自组装工艺来说，这是一个非常低的数字。

　　研究人员制作了自组装光学树脂其光学性质得到了实验验证，原子尺度达到了co透射电镜证实。

　　这些自组装的空腔被嵌入到一个更大的建筑中包括自组装波导，弹簧和照片Nic耦合器使周围的微芯片电路在同一过程中。