科學(xué)家們用電子顯微鏡的光束鉆孔，精確地加工出可以與光相互作用的微小導(dǎo)電立方體，并將它們組織成圖案結(jié)構(gòu)，限制和傳遞光的電磁信號。該演示是朝著可能更快的計算機芯片和更具感知力的傳感器邁出的一步。能源部橡樹嶺國家實驗室的科學(xué)家們用電子顯微鏡的光束鉆孔，精確加工出可以與光相互作用的微小導(dǎo)電立方體，并將它們組織成圖案結(jié)構(gòu)，限制和傳遞光的電磁信號。該演示是朝著可能更快的計算機芯片和更具感知力的傳感器邁出的一步。這些結(jié)構(gòu)的神奇之處在于它們的表面能夠支持稱為等離子體的電子集體波，其頻率與光波相同，但限制更嚴密。光導(dǎo)結(jié)構(gòu)以納米或十億分之一米為單位測量 - 比人類頭發(fā)細 100000 倍。
“這些納米級立方體系統(tǒng)允許在特定位置對光進行極端限制，并對其能量進行可調(diào)控制，”專家說?！斑@是一種連接具有不同長度尺度的信號的方法。”這一壯舉可能對量子和光學(xué)計算至關(guān)重要。量子計算機使用由粒子的量子狀態(tài)確定的量子比特或量子比特來編碼信息。與經(jīng)典位存儲的單個值相比，量子位可以存儲許多值。光，由稱為光子的無質(zhì)量基本粒子傳播的電磁輻射，取代電子成為光學(xué)計算機中的信使。由于光子比電子傳播得更快并且不產(chǎn)生熱量，因此光學(xué)計算機的性能和能源效率可能優(yōu)于傳統(tǒng)計算機。
未來的技術(shù)可能會利用兩全其美。
“光是與量子比特通信的首選方式，但你不能直接將聯(lián)系人與它們聯(lián)系起來，”專家說?！翱梢姽獾膯栴}是它的波長范圍從大約 380 納米的紫色到大約 700 納米的紅色。這太大了，因為我們希望制造只有幾納米大小的設(shè)備。這項工作旨在創(chuàng)建一個框架，使技術(shù)超越摩爾定律和經(jīng)典電子學(xué)。如果你試圖將“輕”和“小”放在一起，這正是等離子激元發(fā)揮作用的地方?！比绻入x子激元有一個美好的未來，成就可能有助于克服信號大小不匹配的問題，這種不匹配會威脅到由不同材料制成的組件的集成。這些混合組件將需要在下一代光電設(shè)備中相互“對話”。等離子體激元可以彌補這一差距。等離子現(xiàn)象首先在金屬中觀察到，因為它們的自由電子是導(dǎo)電的。團隊使用了由透明半導(dǎo)體制成的立方體，這種半導(dǎo)體的行為類似于金屬，摻雜了錫和氟的氧化銦。立方體是半導(dǎo)體這一事實是其能量可調(diào)性的關(guān)鍵。光波的能量與其頻率有關(guān)。頻率越高，波長越短?？梢姽獾牟ㄩL在人眼中表現(xiàn)為顏色。因為可以摻雜半導(dǎo)體，也就是說，可以添加少量雜質(zhì)，它的波長可以在光譜上移動。
該研究的立方體每個都有 10 納米寬，遠小于可見光的波長。立方體被放置在洗滌劑中以防止結(jié)塊并移液到基板上，在那里它們自組裝成二維陣列。一層清潔劑圍繞著每個立方體，將它們均勻地隔開。去除去污劑后，陣列被送到 相關(guān)機構(gòu)?！傲⒎襟w不直接接觸對集體行為很重要，”將立方體組織成不同結(jié)構(gòu)的羅卡普里奧說。“每個立方體都有自己的等離子體行為。當我們將它們以納米線等幾何形狀組合在一起時，它們會相互交流并產(chǎn)生新的效果，這些效果通常不會出現(xiàn)在不是由單個元素組成的類似幾何形狀中。”該研究建立在先前的工作之上，即用電子束雕刻小至納米的三維結(jié)構(gòu)?！澳壳暗恼撐淖C明，等離子體效應(yīng)以及結(jié)構(gòu)是可以雕刻的，”羅卡普里奧說?！皻w根結(jié)底，我們對電子波很感興趣，它在哪里，它的能量是多少？我們正在控制這兩件事?！盞alinin 補充說：“我們希望從偶然使用自然界中存在的東西過渡到制造具有正確響應(yīng)的材料。我們可以采用一個立方體系統(tǒng)，在其上照射光并將能量引導(dǎo)到我們希望它們所在位置的小體積中。”
這個項目對專家來說很自然，他在研究生院進行了大量的電子束光刻，甚至在他的車庫里建造了一臺機器來制造和研磨 3D 打印結(jié)構(gòu)。在 相關(guān)機構(gòu)，他嘗試使用電子顯微鏡的光束，調(diào)整其電流以有意地從成像模式轉(zhuǎn)變?yōu)樾薷哪Ｊ?。他發(fā)現(xiàn)他可以隨意從陣列中取出一小塊立方體或整個立方體來制作有圖案的物體。他還發(fā)現(xiàn)，就像添加化學(xué)元素可以調(diào)節(jié)立方體能量一樣，選擇性去除化學(xué)元素也是如此。這種原子精度可以通過掃描透射電子顯微鏡或 STEM 實現(xiàn)。
表征單個立方體內(nèi)和集體立方體組件之間的等離子體行為的關(guān)鍵是一種稱為電子能量損失光譜的技術(shù)。它使用 STEM 儀器，電子束被過濾成窄范圍內(nèi)的能量。當電子穿過樣品時，光束會失去能量，與材料中的電子相互作用，并通過激發(fā)等離子體將少量能量轉(zhuǎn)移到系統(tǒng)中。電子能量損失光譜法提供了對與等離子體行為相關(guān)的奇異物理和量子現(xiàn)象的深入見解，”“電子能量損失光譜使我們能夠在雕刻立方體時實時分析不斷變化的等離子體響應(yīng)。我們可以弄清楚立方體排列與其等離子體特性之間的關(guān)系?！笨茖W(xué)家們計劃創(chuàng)建一個材料、結(jié)構(gòu)和等離子體特性之間的關(guān)系庫。這一新知識將為最終大規(guī)模生產(chǎn)可以在等離子體納米電路中引導(dǎo)光流的結(jié)構(gòu)提供基礎(chǔ)理解。根據(jù)專家的說法，“這個想法是使用機器學(xué)習(xí)來理解關(guān)系，然后自動化這個過程?！?br />
