两种纳米技术的巧妙结合创造出潜力无限的结构

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（optical resonator）。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。

2022年，物理学家Søren Stobbe与同事在一篇论文中表明，他们制造出了一种新的纳米级的领结结构（图片中央的部分），可用于压缩光。

去年，丹麦技术大学（DTU）的物理学家Søren Stobbe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。

在更进一步的研究中，Stobbe利用一种新的方法，制造出了最小间隙只有几个原子宽的领结结构。

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。

一种从硅结构中创造出纳米级特征的方法。（图/Nature）

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。

这种自组装空腔可以被集成到更大的自组装元件中。图像显示了嵌入在包含多个自组装元件的电路中的光学腔。

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。

审核编辑：刘清