ماشین‌کاری در ابعاد نانو برای تولید ساختار‌های نوین

پژوهشگران با استفاده از میکروسکوپ الکترونی، روی ساختار‌های نیمه‌هادی ماشین کاری‌هایی انجام داده و آن‌ها را به صورت ساختار‌های مکعبی درآوردند.

کد خبر: ۹۹۵۱۶۶

سه‌شنبه - ۱۹ بهمن ۱۴۰۰ / February 08, 2022

به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، پژوهشگران با استفاده از میکروسکوپ الکترونی، روی ساختار‌های نیمه‌هادی ماشین‌کاری‌هایی انجام داده و آن‌ها را به صورت ساختار‌های مکعبی درآوردند. این ساختار‌های نیمه‌هادی مکعبی می‌توانند با نور برهمکنش داشته باشند و در حوزه‌هایی نظیر کامپیوتر کوانتومی استفاده شوند.

دانشمندان آزمایشگاه ملی اوک‌ریج (ORNL) وزارت انرژی آمریکا، با سوراخ‌کاری با پرتو میکروسکوپ الکترونی، مکعب‌های رسانای الکتریکی کوچکی ساختند که می‌توانند با نور برهمکنش داشته باشند.

آنچه آن‌ها انجام دادند ماشین‌کاری در مقیاس‌نانو‌متری است که به این گروه اجازه می‌دهد ساختار‌های طرح‌داری که سیگنال الکترومغناطیسی نور را دستکاری می‌کنند، را بسازند. نتایج این پروژه گامی به‌سوی تراشه‌های کامپیوتری بالقوه سریع‌تر و حسگر‌های جدید است.

کوین روکاپریور از ORNL، اولین نویسنده مقاله مربوط به این پروژه در مجله Small، گفت: «این سیستم‌های مکعبی در مقیاس نانو اجازه محبوس شدن نور در مکان‌های خاص و قابل تنظیم و قابل کنترل را می‌دهند.»

این دستاورد محققان ممکن است برای محاسبات کوانتومی و نوری حیاتی باشد. کامپیوتر‌های کوانتومی اطلاعات را با بیت‌های کوانتومی یا کیوبیت‌هایی رمزگذاری می‌کنند. کیوبیت‌ها می‌توانند مقادیر زیادی اطلاعات را در مقایسه با بیت کلاسیک ذخیره کنند.

سرگئی کالینین، نویسنده ارشد ORNL، می‌گوید: «نور روش ترجیحی برای برقراری ارتباط با کیوبیت‌ها است، اما شما نمی‌توانید مستقیم به آن‌ها متصل کنید. مشکل نور مرئی این است که طول موج آن از حدود ۳۸۰ نانومتر برای بنفش تا حدود ۷۰۰ نانومتر برای قرمز است. این مقدار خیلی بزرگ است، زیرا ما می‌خواهیم دستگاه‌هایی با اندازه چند نانومتر بسازیم. هدف این کار ایجاد چارچوبی برای حرکت فناوری فراتر از قانون مور و الکترونیک کلاسیک است. اگر سعی کنید “سبک” و “کوچک” را کنار هم قرار دهید، دقیقاً اینجاست که پلاسمونیک وارد عمل می‌شود.»

پدیده‌های پلاسمونیک ابتدا در فلزات مشاهده شد که به‌دلیل الکترون‌های آزاد رسانا هستند. تیم ORNL از مکعب‌های ساخته شده از یک نیمه هادی شفاف استفاده کرده است. این که مکعب ماشین‌کاری شده این گروه تحقیقاتی یک ماده نیمه هادی است، اهمیت زیادی دارد چرا که همین نیمه‌هادی بودن کلید تنظیم انرژی آن است. انرژی یک موج نور با فرکانس آن مرتبط است. هرچه فرکانس بالاتر باشد طول موج کوتاهتر است. طول موج نور مرئی در چشم انسان به صورت رنگ ظاهر می‌شود. از آنجا که یک نیمه‌هادی را می‌توان دوپ کرد، یعنی می‌توان ناخالصی کوچکی به آن اضافه کرد، طول موج آن را می‌توان جابجا کرد.

مکعب‌هایی که محققان این پروژه ساختند، هر کدام ۱۰ نانومتر عرض داشتند که بسیار کوچکتر از طول موج نور مرئی است. این مکعب‌ها که در دانشگاه تگزاس در آستین سنتز شده‌اند، برای جلوگیری از جمع شدن در یک ماده دترجنت قرار داده شده و روی یک زیرلایه پیپت شدند، جایی که به صورت خودآرایی در یک آرایه دو بعدی جمع شدند. پوسته‌ای از مواد دترجنت اطراف هر مکعب را احاطه کرده و آن‌ها را به طور مساوی از هم جدا می‌کرد.

روکاپریور که مکعب‌ها را در ساختار‌های متنوعی سازماندهی کرده، گفت: «اینکه مکعب‌ها مستقیم با هم تماس نداشته باشند، برای رفتار جمعی مهم است. هر مکعب به‌طور جداگانه رفتار پلاسمونی خاص خود را دارد. وقتی آن‌ها را در هندسه‌هایی مانند یک نانوسیم کنار هم می‌آوریم، آن‌ها با یکدیگر تعامل می‌کنند و جلوه‌های جدیدی ارائه می‌کنند که معمولاً در هندسه‌های مشابه که از عناصر منفرد تشکیل نشده‌اند، دیده نمی‌شوند.»