两种纳米技术的巧妙结合，创造出潜力无限的结构

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光的约束
通常，我们将光视为是空间中传播的电磁波。但实际上，光也可以被短暂地困在一个很小的区域内。这种对光的约束可以增加它的能量密度，增强光的电场强度，进而加强光与物质之间的相互作用。
增加光与物质之间的相互作用，是量子光学和光子学研究领域的一个主要目标，因为这有助于制造出更好的光电探测器或量子光源。目前，最好的光约束技术之一是使用硅，来制作微小的光学共振腔（opticalresonator）。理想的共振腔能将光约束在单原子大小的区域内，但这非常难以做到。
几十年来，科学家一直在努力研究如何在不造成严重损耗的情况下，制造出尽可能小的光学共振腔，这个问题事实上等同于询问最小的半导体器件为多大。根据半导体行业的预测，在2037年之前，半导体结构的最小可能宽度将不小于8纳米，也就是几十个原子的厚度。


去年，丹麦技术大学（DTU）的物理学家SrenStobbe和他的同事在《自然通讯》杂志上发表了一篇论文，表明他们利用硅制造出了有着领结结构的可用于约束光的空腔，且这个“领结”的连接处的厚度只有8纳米。
现在，在一篇新发表于《自然》杂志的论文中，Stobbe与同事提出并展示了一种新的方法，可以进一步缩小这一结构，制造出“领结”的连接处只有几个原子厚的自组装空腔。


两种方法的结合
在新的研究中，为了能制造一个前所未有的小型硅共振腔，研究人员考虑了两种方法：一种是自上而下的——从一块硅块开始制造纳米级的硅结构；另一种是自下而上的——让纳米系统像生物系统那样实现自组装。
这两种方法实则是纳米技术的核心，但问题是，它们到目前为止都是脱节的：半导体虽然是可伸缩的，但尚且不能达到原子尺度；自组装结构虽然长期以来一直在原子级尺度上运行，但不能提供与外部世界相互连接的架构。
因此，研究人员想，假设能让这两种方法结合，是否就能使用无机半导体材料制造出一种能自我构建的装置？他们的想法是对两种表面力加以利用，一种是卡西米尔力，另一种是范德华力。卡西米尔力能使两个相距很近的表面相互吸引，而范德华力则能使两个表面粘在一起。这两种力根植于相同的效应——量子涨落。


在实验中，为了制作出一个具有纳米级间隙的可用于约束光的硅结构，研究人员首先将一个厚220纳米的硅层，附着在一层二氧化硅上。然后，他们利用传统的半导体技术，将硅层制作成了两个中间夹有一个几十纳米宽的间隙（基隙）的结构。基隙的宽度是不同的，在某些位置上要更宽一些。整个结构都通过用硅制成的弹簧而固定在一个硅框架上。
接着，他们去除了底下的二氧化硅层，只留下由弹簧支撑的硅元件。当两个硅表面以纳米级的间隙接近时，它们会受到卡西米尔-范德华力的吸引而自发地聚在一起，使得间隙完全闭合。但由于间隙的宽度在不同区域有所不同，于是就形成了一个自组装的共振腔，具有可以用来约束光的、原子级尺度的领结形间隙。


自组装的前景
利用一种能将两种纳米技术的方法联系在一起的新方法，研究人员成功地制造出了能将光子约束在空气间隙非常小的光子腔。由于这一间隙实在是太微小了，即使用透射电子显微镜也无法精确确定这些微小结构的确切尺寸。
研究人员表示，自组装的优势在于它可以用于制造非常微小的东西，建造具有惊人性能的独特材料。因此，这种新的方法有助于让纳米技术充分发挥其潜力，对于电子学、纳米机器人、传感器、量子技术等领域都将具有潜在应用。
不过，研究人员指出，我们距离将它们变成现实还有一段距离，还有很多困难需要突破。但新的研究成果代表着，我们已经向实现这些愿景迈出了第一步。
#创作团队：
撰文：小雨
排版：雯雯
#参考来源：
https://www.dtu.dk/english/news/all-news/bowtie-resonators-that-build-themselves-bridge-the-gap-between-nanoscopic-and-macroscopic?id=849f3b3c-7248-425d-9158-6ae0a5fe3a7c
#图片来源：
封面图&首图：Thor A. S. Weis.

来源：https://view.inews.qq.com/k/20231207A0AA4000
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