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(hào)。該演示是朝著可能更快的計(jì)算機(jī)芯片和更具感知力的傳感器邁出的一步。能源部橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)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(hào)。該演示是朝著可能更快的計(jì)算機(jī)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(yán)密。光導(dǎo)結(jié)構(gòu)以納米或十億分之一米為單位測(cè)量 - 比人類頭發(fā)細(xì) 100000 倍。
“這些納米級(jí)立方體系統(tǒng)允許在特定位置對(duì)光進(jìn)行極端限制，并對(duì)其能量進(jìn)行可調(diào)控制，”專家說(shuō)?！斑@是一種連接具有不同長(zhǎng)度尺度的信號(hào)的方法?！边@一壯舉可能對(duì)量子和光學(xué)計(jì)算至關(guān)重要。量子計(jì)算機(jī)使用由粒子的量子狀態(tài)確定的量子比特或量子比特來(lái)編碼信息。與經(jīng)典位存儲(chǔ)的單個(gè)值相比，量子位可以存儲(chǔ)許多值。光，由稱為光子的無(wú)質(zhì)量基本粒子傳播的電磁輻射，取代電子成為光學(xué)計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)的性能和能源效率可能優(yōu)于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)。
未來(lái)的技術(shù)可能會(huì)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(lái)，”專家說(shuō)?！翱梢?jiàn)光的問(wèn)題是它的波長(zhǎng)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?yàn)槲覀兿Ｍ圃熘挥袔准{米大小的設(shè)備。這項(xiàng)工作旨在創(chuàng)建一個(gè)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。”如果等離子激元有一個(gè)美好的未來(lái)，成就可能有助于克服信號(hào)大小不匹配的問(wèn)題，這種不匹配會(huì)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(duì)話”。等離子體激元可以彌補(bǔ)這一差距。等離子現(xiàn)象首先在金屬中觀察到，因?yàn)樗鼈兊淖杂呻娮邮菍?dǎo)電的。團(tuán)隊(duì)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(shí)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(zhǎng)越短?？梢?jiàn)光的波長(zhǎng)在人眼中表現(xiàn)為顏色。因?yàn)榭梢該诫s半導(dǎo)體，也就是說(shuō)，可以添加少量雜質(zhì)，它的波長(zhǎng)可以在光譜上移動(dòng)。
該研究的立方體每個(gè)都有 10 納米寬，遠(yuǎn)小于可見(jiàn)光的波長(zhǎng)。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(gè)立方體，將它們均勻地隔開(kāi)。去除去污劑后，陣列被送到 相關(guān)機(jī)構(gòu)?！傲⒎襟w不直接接觸對(duì)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(shuō)?！懊總€(gè)立方體都有自己的等離子體行為。當(dāng)我們將它們以納米線等幾何形狀組合在一起時(shí)，它們會(huì)相互交流并產(chǎn)生新的效果，這些效果通常不會(huì)出現(xiàn)在不是由單個(gè)元素組成的類似幾何形狀中?！痹撗芯拷⒃谙惹暗墓ぷ髦希从秒娮邮窨绦≈良{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(shuō)?！皻w根結(jié)底，我們對(duì)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(bǔ)充說(shuō)：“我們希望從偶然使用自然界中存在的東西過(guò)渡到制造具有正確響應(yīng)的材料。我們可以采用一個(gè)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(gè)項(xiàng)目對(duì)專家來(lái)說(shuō)很自然，他在研究生院進(jìn)行了大量的電子束光刻，甚至在他的車庫(kù)里建造了一臺(tái)機(jī)器來(lái)制造和研磨 3D 打印結(jié)構(gòu)。在 相關(guān)機(jī)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健Ｋl(fā)現(xiàn)他可以隨意從陣列中取出一小塊立方體或整個(gè)立方體來(lái)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(guò)掃描透射電子顯微鏡或 STEM 實(shí)現(xiàn)。
表征單個(gè)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(guò)濾成窄范圍內(nèi)的能量。當(dāng)電子穿過(guò)樣品時(shí)，光束會(huì)失去能量，與材料中的電子相互作用，并通過(guò)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(duì)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(jiàn)解，”“電子能量損失光譜使我們能夠在雕刻立方體時(shí)實(shí)時(shí)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(jì)劃創(chuàng)建一個(gè)材料、結(jié)構(gòu)和等離子體特性之間的關(guān)系庫(kù)。這一新知識(shí)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(shuō)法，“這個(gè)想法是使用機(jī)器學(xué)習(xí)來(lái)理解關(guān)系，然后自動(dòng)化這個(gè)過(guò)程?！?br />
