科學家們用電子顯微鏡的光束鑽孔，精（jīng）確地加工出可以與光相互作用的微（wēi）小導電立方體，並將它（tā）們組織成圖案結構，限製（zhì）和（hé）傳遞光的電磁信號。該演示是（shì）朝著可能更快（kuài）的計算機芯片和（hé）更具感知力（lì）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鑽孔，精確加工出可以與光相互作（zuò）用的微小導（dǎo）電立方體，並將它們組織成圖案結構，限製和傳遞光的電磁信號。該演示是（shì）朝著可能更快（kuài）的計算機芯片和更具感知力的傳感器邁出的一步。這些（xiē）結（jié）構的神奇之處在於它們的表麵（miàn）能（néng）夠支持稱（chēng）為等離子體的電子集體（tǐ）波（bō），其頻（pín）率與光波相同，但限製更（gèng）嚴密。光導結構以納米或（huò）十億分之一米為（wéi）單位測量 - 比人類頭（tóu）發細 100000 倍。
“這些（xiē）納米級立方體係統允許（xǔ）在特定位置（zhì）對光（guāng）進行極端限製，並對其能量（liàng）進行可調控製，”專家說。“這（zhè）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計算至關重要。量子計算機使用由粒子的量子狀態確定的量子比特或（huò）量子比特（tè）來編碼信息。與經典位（wèi）存儲的單個值相比，量子位可以存儲許多值（zhí）。光（guāng），由稱為光子的無質量基本粒子傳播的電磁輻射，取代電子成為光學計算機中（zhōng）的信使。由於光子比電子傳播得更快（kuài）並且不（bú）產生熱量，因此光（guāng）學計（jì）算機的性能和（hé）能源效率可能（néng）優（yōu）於傳（chuán）統計算機。
未來的技術可能會（huì）利用兩全其（qí）美。
“光是與量子比特通信的首選方式，但你不能直（zhí）接將（jiāng）聯係人與它們聯係起來，”專家說。“可見光（guāng）的問題是它（tā）的波長範（fàn）圍從大約（yuē） 380 納米的紫色到（dào）大約 700 納米的紅色。這太大（dà）了，因為我們希（xī）望製造隻有幾納（nà）米大小（xiǎo）的設備。這項工作旨在創建一個框架，使技術超越摩爾定律和經典電子學（xué）。如（rú）果你試圖將“輕（qīng）”和“小”放在一起，這正是等離子激元發揮作用的地方。”如果等離子激元有一個美好（hǎo）的未來，成就可能有助於克服信號大小不匹配的問題，這種（zhǒng）不匹配（pèi）會威脅到由不同材料製成的組件的集成（chéng）。這些混（hún）合組件將（jiāng）需（xū）要在下一代（dài）光電設備中相互“對話”。等離子體激元可以彌補這一差距（jù）。等離子現象首先在金屬中觀察到（dào），因為它（tā）們的自由電子是導電的（de）。團隊使用了由透明半導體（tǐ）製成的立方體，這種半導體的行為類似於金（jīn）屬，摻雜了錫和（hé）氟的氧化銦。立方（fāng）體是半導體（tǐ）這一事實是其能量可調性的關鍵（jiàn）。光波的能量與其頻率有關。頻率越高，波長越短。可見光的（de）波長在人眼中表現為顏色（sè）。因為（wéi）可以（yǐ）摻雜（zá）半導體，也（yě）就是說，可以添加少量（liàng）雜（zá）質，它的波長可以在光（guāng）譜上移動。
該研究的立方體每個都有 10 納米（mǐ）寬，遠小於可見光的（de）波長。立方體被放（fàng）置（zhì）在（zài）洗滌劑（jì）中以防止結（jié）塊並移液到基板上，在那裏它們自組裝成二維陣列。一層（céng）清潔劑圍（wéi）繞著每個立方體，將（jiāng）它們均勻（yún）地隔開。去除去汙劑後（hòu），陣列被送到 相關機構。“立方體不直接接觸對集體行為很重要，”將立方（fāng）體組織成（chéng）不（bú）同結構的羅卡普裏奧說。“每（měi）個立（lì）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，它們會相互交流並產生（shēng）新的效果，這些效果通常不會出現在不是由單個元素組成的類（lèi）似幾何形狀中。”該研究（jiū）建立在先（xiān）前的工（gōng）作之上，即用電子束雕刻小至納米的三維結構。“目前的論文證明，等離子體效應以及結構是可（kě）以雕刻的（de），”羅（luó）卡普裏奧說。“歸根結底，我們對電子波很（hěn）感興趣，它在哪裏，它的能量是多少？我們正在控製這兩件事。”Kalinin 補充說（shuō）：“我（wǒ）們希望（wàng）從偶然使用（yòng）自然界中存在的東（dōng）西過渡到（dào）製造具有正確響應的（de）材料。我們可以采用一個立方體係統，在其上照射光並將能量引導（dǎo）到我們希望它們所在位（wèi）置的小體積中。”
這個項目對（duì）專家來說很自然，他在（zài）研（yán）究生院進行（háng）了大量的電子束光刻，甚至（zhì）在他的車庫裏建造了一台機器來製造和研磨 3D 打印結（jié）構。在 相關機構，他嚐試使用電子顯微鏡（jìng）的光（guāng）束，調整其電流以有意地從成像模式轉變為修（xiū）改模式。他發現他可以隨意從陣列中取出一小塊立方體或（huò）整個立方體來製作有圖案的物體。他還發現，就像添加化學元素可以調（diào）節立方體能量一樣，選擇性去除化學元素也是（shì）如此。這種原子精度可以通過（guò）掃描透射（shè）電子顯微鏡或 STEM 實現。
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鍵是一（yī）種稱為電子能量損失光譜（pǔ）的技術。它使用（yòng） STEM 儀器（qì），電子束被過濾成窄範圍內的能（néng）量。當電子穿（chuān）過樣品時，光束會失去能量，與材料中的電子相互（hù）作（zuò）用，並通過激發等離子體將（jiāng）少量能量轉移到係統中。電子能量（liàng）損失光譜法提供了對與等離子體行為相關的奇異物理和量子現象的深入見解，”“電子能量損失光（guāng）譜使我們能（néng）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（chǔ）立方體排列與其等離子體特（tè）性之間的關（guān）係。”科學家們計劃創建一個材料、結構和等（děng）離子體特性（xìng）之間的關係庫。這一新知（zhī）識將為最終大規模生（shēng）產可以在等離子體納米電路中引導光流的結構提供基礎理（lǐ）解。根據專家的說法（fǎ），“這個想（xiǎng）法是使用機器學習來理解關（guān）係，然後自動化這個過程。”
