Der weltweit kleinste Licht einfangende Siliziumhohlraum entsteht: Selbstorganisation auf atomarer Ebene erzeugt Quantenlichtquellen

Die Stärke der Wechselwirkung zwischen Licht und Materie zu erhöhen, um bessere Fotodetektoren oder Quantenlichtquellen herzustellen, ist ein zentrales Ziel der Quantenoptik und Photonik.
Und das geht am besten mit optischen Resonatoren, die Licht über lange Zeiträume speichern, sodass ihre Wechselwirkung mit der Materie stärker wird. Wenn der Resonator zudem sehr kompakt ist und das Licht auf einen sehr kleinen Raumbereich komprimiert, wird die Wechselwirkung noch verstärkt. Im perfekten Resonator kann ein Bereich von der Größe eines Atoms Licht über lange Zeiträume speichern.
Die Herausforderung der Resonatorminiaturisierung
Seit Jahrzehnten beschäftigen sich Ingenieure und Physiker mit dem Problem, wie man kleine optische Resonatoren ohne Leistungseinbußen herstellen kann, ähnlich wie kleine Halbleiterbauelemente konstruiert werden müssen. Der Fahrplan der Halbleiterindustrie für die nächsten 15 Jahre sieht vor, dass die kleinstmögliche Breite einer Halbleiterstruktur nicht weniger als 8 nm betragen wird, was der Breite von mehreren zehn Atomen entspricht.
Die beschriebenen selbstorganisierten Hohlräume können in größere selbstorganisierte Baugruppen integriert werden, um Licht um einen optischen Chip herumzuleiten. Die Abbildung zeigt einen optischen Hohlraum, der in einen Schaltkreis eingebettet ist, der mehrere selbstorganisierte Komponenten enthält.
Neuer Ansatz überwindet extreme Bedingungen
Letztes Jahr veröffentlichten der außerordentliche Professor Søren Stobbe von DTU Electro und seine Kollegen einen neuen Artikel in der Zeitschrift Nature, in dem sie 8-nm-Hohlräume demonstrierten. Jetzt haben sie jedoch eine neue Methode zur Erzeugung selbstorganisierter Hohlräume mit Luftporen vorgeschlagen und demonstriert die Größe einiger weniger Atome. In ihrem Artikel „Selbstorganisierte photonische Hohlräume mit Einschränkungen auf atomarer Skala“ werden die Ergebnisse detailliert beschrieben und in der Nature-Ausgabe vom 6. Dezember veröffentlicht.
Bei diesem Experiment wurden zwei Hälften einer Siliziumstruktur an einer Feder „aufgehängt“ und im ersten Schritt wurde das Siliziumbauteil fest mit einer Glasschicht verbunden. Das Gerät wurde mit konventioneller Halbleitertechnologie hergestellt, sodass der Abstand zwischen den beiden Hälften nur wenige zehn Nanometer betrug. Nachdem das Glas selektiv geätzt wurde, wird die Struktur freigegeben und sie wird nun einfach durch die Feder gestützt.
Da die beiden Teile eng miteinander verbunden sind, ziehen sie sich durch Oberflächenkräfte gegenseitig an. Das Ergebnis ist ein selbstorganisierter Resonator mit Siliziumspiegeln, die fliegeförmige Lücken auf atomarer Ebene umgeben und durch sorgfältige Gestaltung der Struktur der Siliziumstruktur entstanden sind.
Von einem vollständig selbstkonstruierenden Schaltkreis sind die Forscher noch weit entfernt. Aber es ist ihnen gelungen, zwei bisher parallel verlaufende Ansätze zu vereinen und so einen Siliziumresonator zu schaffen, der noch nie zuvor miniaturisiert wurde.
Fortschritte in der siliziumbasierten Halbleitertechnologie wurden durch einen bestimmten Ansatz ermöglicht, der als „Top-Down-Methode“ bekannt ist. Ein anderer Ansatz ist als „Bottom-up“-Technologie bekannt: Der Versuch, nanotechnologische Systeme dazu zu bringen, sich selbst zusammenzusetzen. Der Schlüssel ihrer Forschung liegt in der Kombination dieser beiden Ansätze.
Die Studie demonstriert eine praktikable Technik zur Verknüpfung der beiden Nanotechnologieansätze durch den Einsatz einer neuen Generation von Herstellungstechniken, die die durch Selbstorganisation gebotene Atomgröße mit der Skalierbarkeit konventionell hergestellter Halbleiter kombinieren.
Durch die Herstellung photonischer Hohlräume konnten die Forscher Photonen in so kleinen Luftspalten einschließen, dass sie selbst mit einem Transmissionselektronenmikroskop nicht genau gemessen werden konnten. Der kleinste, den sie bauten, hatte jedoch nur eine Größe von 1-3 Siliziumatomen und stellte damit einen neuen Rekord für ein kleines Volumen lichteinfangender Siliziumhohlräume auf.
„Wir müssen diese Hohlräume nicht später finden und in eine andere Chip-Architektur einfügen“, sagte Stobbe. Das sei auch nicht möglich, weil es so klein sei. Mit anderen Worten: Wir bauen etwas in der Größenordnung eines eingefügten Atoms in einen makroskopischen Kreislauf umzuwandeln. Wir freuen uns sehr über diese neue Forschungsrichtung und es liegt noch viel Arbeit vor uns.“