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量子光学和光子学的中心目标是增加光和物质之间相互作用的强度，以产生更好的光电探测器或量子光源。最好的方法是使用长时间储存光的光学谐振器，使其与物质的相互作用更强烈。如果谐振器也非常小，使得光被挤压到空间的微小区域，则相互作用会进一步增强。理想的谐振器将在单个原子大小的区域中长时间存储光。
几十年来，物理学家和工程师一直在努力研究如何在不使它们非常损耗的情况下制造出小型光学谐振器，这相当于问你能制造多小的半导体器件。半导体行业未来 15 年的路线图预测，半导体结构的最小可能宽度将不低于 8 nm，即几十个原子宽。
DTU Electro的副教授Søren Stobbe及其同事在《自然》杂志上发布了一篇新论文，该团队去年展示了8纳米的空腔，但现在他们提出并展示了一种新的方法来制造具有几个原子尺度的空隙的自组装腔。他们的论文“具有原子级限制的自组装光子腔”详细介绍了结果，现已发布在《自然》杂志上。
为了简要解释实验，两半硅结构悬挂在弹簧上，尽管在第一步中，硅器件牢固地附着在一层玻璃上。这些器件采用传统的半导体技术制造，因此两半相距几十纳米。在对玻璃进行选择性蚀刻时，结构被释放，现在仅由弹簧悬挂，并且由于两半彼此靠近，它们会因表面力而吸引。通过精心设计硅结构，结果是一个自组装谐振器，在原子尺度上具有被硅镜包围的领结形间隙。
“我们远非一个完全自行构建的赛道。但是，我们已经成功地融合了迄今为止一直沿着平行轨道前进的两种方法。它使我们能够以前所未有的小型化制造硅谐振器，“Søren Stobbe 说。
两种不同的方法
一种方法 - 自上而下的方法 - 是我们看到的硅基半导体技术惊人发展的背后。在这里，粗略地说，你从一个硅块开始，用它们制造纳米结构。另一种方法--自下而上的方法--是你试图让一个纳米技术系统自行组装。它旨在模仿通过生物或化学过程构建的生物系统，例如植物或动物。这两种方法是定义纳米技术的核心。但问题在于，这两种方法到目前为止是脱节的：半导体是可扩展的，但无法达到原子尺度，虽然自组装结构长期以来一直在原子尺度上运行，但它们没有为与外部世界的互连提供架构。
“有趣的是，如果我们能生产出一种可以自行构建的电子电路，就像人类在成长过程中发生的那样，但使用无机半导体材料。这将是真正的分层自组装。我们将新的自组装概念用于光子谐振器，可用于电子、纳米机器人、传感器、量子技术等。然后，我们将真正能够收获纳米技术的全部潜力。研究界距离实现这一愿景还有许多突破，但我希望我们已经迈出了第一步，“共同监督该项目的吉列尔莫·阿雷吉说。
趋同的方法
假设这两种方法的结合是可能的，DTU Electro的团队着手创造超越传统光刻和蚀刻极限的纳米结构，尽管只使用传统的光刻和蚀刻。他们的想法是使用两种表面力，即卡西米尔力吸引两半，范德华力使它们粘在一起。这两种力植根于相同的潜在效应：量子涨落。
研究人员制造了光子腔，将光子限制在气隙中，如此之小，以至于即使使用透射电子显微镜也无法确定它们的确切尺寸。但是他们建造的最小的硅原子只有1-3个硅原子。
“即使自组装能够达到这些极端尺寸，对纳米加工的要求也同样极端。例如，结构缺陷通常在几纳米的尺度上。尽管如此，如果存在这种规模的缺陷，两半只会在三个最大的缺陷处相遇并接触。我们确实在挑战极限，尽管我们在世界上最好的大学洁净室之一制造我们的设备，“DTU Electro纳米光子卓越中心的博士生Ali Nawaz Babar说，他是这篇新论文的第一作者。
“自组装的优点是你可以制造微小的东西。您可以构建具有惊人性能的独特材料。但今天，你不能用它来做任何插入电源插座的东西。你无法将它与世界其他地方联系起来。因此，你需要所有常用的半导体技术来制造电线或波导，将你自己组装的任何东西连接到外部世界。
坚固而精确的自组装
本文展示了一种将两种纳米技术方法联系起来的可能方法，即采用新一代制造技术，将自组装实现的原子尺寸与传统方法制造的半导体的可扩展性相结合。
“我们不必在事后找到这些空腔并将它们插入另一个芯片架构中。由于尺寸很小，这也是不可能的。换句话说，我们正在构建一个已经插入宏观电路中的原子的尺度。我们对这一新的研究方向感到非常兴奋，还有很多工作要做，“Søren Stobbe说。
表面力
已知有四种基本力：引力、电磁力以及强核力和弱核力。除了静态配置引起的力，例如带正电和带负电的粒子之间的吸引力电磁力外，还可能存在由于波动引起的力。这种涨落可能是热的或量子的，它们会产生表面力，如范德华力和卡西米尔力，它们作用在不同的长度尺度上，但植根于相同的基础物理学。其他机制，如静电表面电荷，可以增加净表面力。例如，壁虎利用表面力附着在墙壁和天花板上。
