Desde as primeiras demonstrações do laser de femtosegundo como uma ferramenta de processamento tridimensional (3D), foram fabricados microdispositivos com funções ópticas, eletrônicas, mecânicas e magnéticas emocionantes, pelos quais novos conceitos, desde circuitos integrados fotônicos quânticos 3D até microrobôs inteligentes, são habilitados. .



Muito esforço na última década neste campo foi dedicado a melhorar a resolução espacial de fabricação, e várias dezenas de tamanhos de recursos nanométricos foram relatados com base na absorção multifóton, esgotamento de emissão de estimulação, aprimoramento de campo próximo induzido por campo distante e fotoexcitação. efeitos de ligação química induzidos. No entanto, aplicações avançadas, como transistores de elétron único, emissores de fóton único (SPE), memória de átomo único ou dispositivos de bits quânticos, exigem maior resolução espacial de fabricação (menos de 10 nm, muito além do limite de difração óptica).

Em um novo artigo publicado na Light Science &Application , uma equipe de cientistas, liderada pelo professor Hongbo Sun do Laboratório Estadual de Tecnologia e Instrumentos de Medição de Precisão, Departamento de Instrumentos de Precisão, Universidade de Tsinghua, Pequim, China, e colegas de trabalho propuseram e demonstraram experimentalmente a fabricação em escala próxima ao átomo usando um método de rastreamento e bloqueio de limite (TTL), pelo qual são realizados tamanhos de recursos <5 nm, ~ λ/100, aproximando-se do limite quântico.

Através desta abordagem, os pesquisadores poderiam alcançar a fabricação com rendimento próximo da unidade de fontes de fótons únicos com alta precisão posicional e danos mínimos à rede. Essas fontes de fótons únicos exibem alto brilho, alta pureza de emissão e alta estabilidade.

Essa fabricação de laser em escala próxima à do átomo representa um avanço significativo em tecnologias fotônicas quânticas escaláveis. Os cientistas resumem o princípio da tecnologia TTL:

"A ideia é usar pulsos de laser adicionais (luz de sonda) para rastrear com precisão se ocorre dano em escala atômica ou em escala atômica próxima sob o pulso inicial (fabricação de luz). O limite de dano intrínseco do material alvo é bloqueado com precisão. Vale a pena mencionando que este método de feedback não depende da sensibilidade de detecção do instrumento e pode bloquear com precisão o limite de dano intrínseco do material alvo para fabricação de laser em nanoescala."

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"Demonstramos que a precisão da fabricação do laser neste trabalho atingiu o limite quântico, que é um novo marco após o limite de difração óptica. Quando a energia do laser se aproxima do limite de dano em escala quase atômica, a ablação a laser de átomos individuais não necessariamente ocorrem no centro geométrico do ponto focado."

“Isso ocorre porque, neste estado limite, o gradiente fornecido pela energia do laser (o topo da distribuição gaussiana) será muito plano. A região de ruptura definida pelo gradiente de energia do laser falhará e a ablação atômica local ocorrerá aleatoriamente em uma determinada região (~ alguns nanômetros, o valor específico está relacionado ao material alvo), que será dominada pela posição e flutuações de energia dos elétrons locais, em vez da inclinação da densidade de potência do laser incidente."

"Pela tecnologia TTL, a fabricação com rendimento próximo da unidade de fontes de fótons únicos com precisão de posicionamento em nanoescala poderia ser realizada. Enquanto isso, essas fontes de fótons únicos exibem excelentes propriedades, incluindo alto brilho (emitindo quase dez milhões de fótons por segundo), alta pureza de emissão e alta estabilidade."

"Este resultado sugere o alto potencial da fabricação de laser em escala próxima ao átomo para a aplicação de dispositivos quânticos."

Mais informações: Xiao-Jie Wang et al, Fabricação a laser de resolução espacial aproximando-se do limite quântico, Luz:Ciência e Aplicações (2024). DOI:10.1038/s41377-023-01354-5
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