科学家们用电子显微镜的光束钻孔，精确地加工出可以与光相互作用的微小导电立方体，并将它们组织成图案结构，限制和传递光的电磁信号。该演示是朝着可能更快的计算机芯片和更具感知力的传感器迈出的一步。能源部橡树岭国家实验室的科学家们用电子显微镜的光束钻孔，精确加工出可以与光相互作用的微小导电立方体，并将它们组织成图案结构，限制和传递光的电磁信号。该演示是朝着可能更快的计算机芯片和更具感知力的传感器迈出的一步。这些结构的神奇之处在于它们的表面能够支持称为等离子体的电子集体波，其频率与光波相同，但限制更严密。光导结构以纳米或十亿分之一米为单位测量 - 比人类头发细 100000 倍。
“这些纳米级立方体系统允许在特定位置对光进行极端限制，并对其能量进行可调控制，”专家说。“这是一种连接具有不同长度尺度的信号的方法。”这一壮举可能对量子和光学计算至关重要。量子计算机使用由粒子的量子状态确定的量子比特或量子比特来编码信息。与经典位存储的单个值相比，量子位可以存储许多值。光，由称为光子的无质量基本粒子传播的电磁辐射，取代电子成为光学计算机中的信使。由于光子比电子传播得更快并且不产生热量，因此光学计算机的性能和能源效率可能优于传统计算机。
未来的技术可能会利用两全其美。
“光是与量子比特通信的首选方式，但你不能直接将联系人与它们联系起来，”专家说。“可见光的问题是它的波长范围从大约 380 纳米的紫色到大约 700 纳米的红色。这太大了，因为我们希望制造只有几纳米大小的设备。这项工作旨在创建一个框架，使技术超越摩尔定律和经典电子学。如果你试图将“轻”和“小”放在一起，这正是等离子激元发挥作用的地方。”如果等离子激元有一个美好的未来，成就可能有助于克服信号大小不匹配的问题，这种不匹配会威胁到由不同材料制成的组件的集成。这些混合组件将需要在下一代光电设备中相互“对话”。等离子体激元可以弥补这一差距。等离子现象首先在金属中观察到，因为它们的自由电子是导电的。团队使用了由透明半导体制成的立方体，这种半导体的行为类似于金属，掺杂了锡和氟的氧化铟。立方体是半导体这一事实是其能量可调性的关键。光波的能量与其频率有关。频率越高，波长越短。可见光的波长在人眼中表现为颜色。因为可以掺杂半导体，也就是说，可以添加少量杂质，它的波长可以在光谱上移动。
该研究的立方体每个都有 10 纳米宽，远小于可见光的波长。立方体被放置在洗涤剂中以防止结块并移液到基板上，在那里它们自组装成二维阵列。一层清洁剂围绕着每个立方体，将它们均匀地隔开。去除去污剂后，阵列被送到 相关机构。“立方体不直接接触对集体行为很重要，”将立方体组织成不同结构的罗卡普里奥说。“每个立方体都有自己的等离子体行为。当我们将它们以纳米线等几何形状组合在一起时，它们会相互交流并产生新的效果，这些效果通常不会出现在不是由单个元素组成的类似几何形状中。”该研究建立在先前的工作之上，即用电子束雕刻小至纳米的三维结构。“目前的论文证明，等离子体效应以及结构是可以雕刻的，”罗卡普里奥说。“归根结底，我们对电子波很感兴趣，它在哪里，它的能量是多少？我们正在控制这两件事。”Kalinin 补充说：“我们希望从偶然使用自然界中存在的东西过渡到制造具有正确响应的材料。我们可以采用一个立方体系统，在其上照射光并将能量引导到我们希望它们所在位置的小体积中。”
这个项目对专家来说很自然，他在研究生院进行了大量的电子束光刻，甚至在他的车库里建造了一台机器来制造和研磨 3D 打印结构。在 相关机构，他尝试使用电子显微镜的光束，调整其电流以有意地从成像模式转变为修改模式。他发现他可以随意从阵列中取出一小块立方体或整个立方体来制作有图案的物体。他还发现，就像添加化学元素可以调节立方体能量一样，选择性去除化学元素也是如此。这种原子精度可以通过扫描透射电子显微镜或 STEM 实现。
表征单个立方体内和集体立方体组件之间的等离子体行为的关键是一种称为电子能量损失光谱的技术。它使用 STEM 仪器，电子束被过滤成窄范围内的能量。当电子穿过样品时，光束会失去能量，与材料中的电子相互作用，并通过激发等离子体将少量能量转移到系统中。电子能量损失光谱法提供了对与等离子体行为相关的奇异物理和量子现象的深入见解，”“电子能量损失光谱使我们能够在雕刻立方体时实时分析不断变化的等离子体响应。我们可以弄清楚立方体排列与其等离子体特性之间的关系。”科学家们计划创建一个材料、结构和等离子体特性之间的关系库。这一新知识将为最终大规模生产可以在等离子体纳米电路中引导光流的结构提供基础理解。根据专家的说法，“这个想法是使用机器学习来理解关系，然后自动化这个过程。”
