Um objetivo central na óptica quântica e na fotônica é aumentar a força da interação entre a luz e a matéria para produzir, por exemplo, melhores fotodetectores ou fontes de luz quântica. A melhor maneira de fazer isso é usar ressonadores ópticos que armazenam luz por um longo tempo, fazendo com que ela interaja mais fortemente com a matéria. Se o ressonador também for muito pequeno, de modo que a luz seja comprimida em uma pequena região do espaço, a interação será ainda mais aprimorada. O ressonador ideal armazenaria luz por um longo período em uma região do tamanho de um único átomo.



Físicos e engenheiros têm lutado durante décadas para descobrir como pequenos ressonadores ópticos podem ser feitos sem torná-los muito “com perdas”, o que equivale a perguntar quão pequeno você pode fazer um dispositivo semicondutor. O roteiro da indústria de semicondutores para os próximos 15 anos prevê que a menor largura possível de uma estrutura de semicondutores não será inferior a 8 nm, o que equivale a várias dezenas de átomos de largura.

A equipe por trás de um novo artigo, o professor associado Søren Stobbe e seus colegas da DTU Electro, demonstraram cavidades de 8 nm no ano passado, mas agora eles propõem e demonstram uma nova abordagem para fabricar uma cavidade automontável com um vazio de ar na escala de um poucos átomos. O artigo deles, "Cavidades fotônicas auto-montadas com confinamento em escala atômica", detalhando os resultados, foi publicado na Nature .

Para explicar brevemente o experimento, duas metades de estruturas de silício são suspensas em molas, embora na primeira etapa o dispositivo de silício esteja firmemente preso a uma camada de vidro. Os dispositivos são fabricados com tecnologia convencional de semicondutores, de modo que as duas metades estão separadas por algumas dezenas de nanômetros.

Após a gravação seletiva do vidro, a estrutura é liberada e agora apenas suspensa pelas molas, e como as duas metades são fabricadas tão próximas uma da outra, elas se atraem devido às forças superficiais. Ao projetar cuidadosamente o projeto das estruturas de silício, o resultado é um ressonador automontado com lacunas em forma de gravata borboleta em escala atômica cercadas por espelhos de silício.

"Estamos longe de um circuito que se constrói completamente. Mas conseguimos convergir duas abordagens que têm percorrido caminhos paralelos até agora. E isso nos permitiu construir um ressonador de silício com miniaturização sem precedentes", diz Søren Stobbe.

Duas abordagens distintas

Uma abordagem – a abordagem de cima para baixo – está por trás do desenvolvimento espetacular que temos visto com tecnologias de semicondutores baseadas em silício. Aqui, dito de maneira grosseira, você parte de um bloco de silício e trabalha na fabricação de nanoestruturas a partir dele. A outra abordagem – a abordagem de baixo para cima – é onde você tenta montar um sistema nanotecnológico. Tem como objetivo imitar sistemas biológicos, como plantas ou animais, construídos através de processos biológicos ou químicos.

Essas duas abordagens estão no cerne do que define a nanotecnologia. Mas o problema é que estas duas abordagens estavam até agora desconectadas:os semicondutores são escaláveis, mas não conseguem atingir a escala atómica, e embora as estruturas auto-montadas já operem há muito tempo à escala atómica, não oferecem qualquer arquitectura para as interconexões com o mundo externo.

"O interessante seria se pudéssemos produzir um circuito eletrônico que se construísse sozinho - exatamente como acontece com os humanos à medida que crescem, mas com materiais semicondutores inorgânicos. Isso seria uma verdadeira automontagem hierárquica", diz Guillermo Arregui, que co-supervisionou o projeto.

"Usamos o novo conceito de automontagem para ressonadores fotônicos, que pode ser usado em eletrônica, nanorobótica, sensores, tecnologias quânticas e muito mais. Então, seríamos realmente capazes de colher todo o potencial da nanotecnologia. A comunidade de pesquisa está faltam muitos avanços para concretizar essa visão, mas espero que tenhamos dado os primeiros passos."

Abordagens convergentes

Supondo que uma combinação das duas abordagens seja possível, a equipe da DTU Electro decidiu criar nanoestruturas que ultrapassassem os limites da litografia e gravação convencionais, apesar de usar nada mais do que litografia e gravação convencionais. A ideia deles era usar duas forças de superfície, nomeadamente a força de Casimir para atrair as duas metades e a força de van der Waals para fazê-las ficarem unidas. Estas duas forças estão enraizadas no mesmo efeito subjacente:flutuações quânticas.

Os pesquisadores criaram cavidades fotônicas que confinam os fótons a lacunas de ar tão pequenas que era impossível determinar seu tamanho exato, mesmo com um microscópio eletrônico de transmissão. Mas os menores que eles construíram têm um tamanho de 1 a 3 átomos de silício.

"Mesmo que a automontagem se encarregue de atingir essas dimensões extremas, os requisitos para a nanofabricação não são menos extremos. Por exemplo, as imperfeições estruturais são tipicamente da escala de vários nanômetros. Ainda assim, se houver defeitos nesta escala, o duas metades só se encontrarão e tocarão nos três maiores defeitos. Estamos realmente ultrapassando os limites aqui, apesar de fabricarmos nossos dispositivos em uma das melhores salas limpas universitárias do mundo", diz Ali Nawaz Babar, Ph.D. estudante do Centro de Excelência NanoPhoton da DTU Electro e primeiro autor do novo artigo.

"A vantagem da automontagem é que você pode fazer pequenas coisas. Você pode construir materiais únicos com propriedades incríveis. Mas hoje, você não pode usá-lo para nada que você conecte a uma tomada elétrica. Você não pode conectá-lo ao resto do mundo. Então, você precisa de toda a tecnologia usual de semicondutores para fazer os fios ou guias de onda para conectar tudo o que você montou ao mundo externo."

Automontagem robusta e precisa

O artigo mostra uma possível maneira de vincular as duas abordagens de nanotecnologia, empregando uma nova geração de tecnologia de fabricação que combina as dimensões atômicas possibilitadas pela automontagem com a escalabilidade de semicondutores fabricados com métodos convencionais.

"Não precisamos entrar e depois encontrar essas cavidades e inseri-las em outra arquitetura de chip. Isso também seria impossível por causa do tamanho minúsculo. Ou seja, estamos construindo algo na escala de um átomo já inserido em um circuito macroscópico. Estamos muito entusiasmados com esta nova linha de investigação e há muito trabalho pela frente", afirma Søren Stobbe.

Mais informações: Søren Stobbe, Cavidades fotônicas automontadas com confinamento em escala atômica, Natureza (2023). DOI:10.1038/s41586-023-06736-8. www.nature.com/articles/s41586-023-06736-8
Informações do diário: Natureza

Fornecido pela Universidade Técnica da Dinamarca