科（kē）學家們用電子顯微鏡的光束鑽孔，精確地加工出可（kě）以與光相互作用（yòng）的微小導電立方體，並將它們組織成圖案結構，限製和傳遞光的電（diàn）磁信號。該（gāi）演示是朝著可能（néng）更快的計算機芯片（piàn）和更具（jù）感知力的傳感器邁出的一步。能源部橡樹嶺國家實驗室的科學家（jiā）們用（yòng）電子顯微鏡的光束鑽孔，精確加（jiā）工出可（kě）以與光相互（hù）作用的微小導電立（lì）方體，並將它們組織成圖案結構，限製和（hé）傳遞光的（de）電磁信號。該演示是朝著可能更快的計算機芯片和更具（jù）感知力的（de）傳感器邁出的一步。這些結構的神奇之處（chù）在於它們的表麵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（dàn）限製更嚴密。光（guāng）導結構以納米或十億分之（zhī）一米為單位（wèi）測量 - 比人類頭發細 100000 倍。
“這些納米級立（lì）方體係統允許在特定位置對光進行極端限製，並對其能量進行可調控製，”專家說。“這是（shì）一種連接具（jù）有不（bú）同長度尺度的信號的方法。”這一壯舉可能對量子和（hé）光學計算至關重要。量子計算機使用（yòng）由粒子（zǐ）的量子狀態確定的量（liàng）子比特或（huò）量子比特（tè）來編碼信息。與經典位（wèi）存（cún）儲的單個（gè）值相比，量子位（wèi）可以存儲許多值。光，由稱為光子的無質量（liàng）基本粒子傳播的電磁輻射，取代電子成為光學計算（suàn）機中的（de）信使。由於光子比電子傳播（bō）得更快（kuài）並（bìng）且不產（chǎn）生熱量，因此光學計算機的性能和能源效率（lǜ）可能優於傳統（tǒng）計算機。
未來的技術可能會利用兩全其（qí）美。
“光是與（yǔ）量子比特通信的首選方式，但你不能（néng）直接將聯係人與它們聯係起來，”專家說。“可見光的問題是（shì）它（tā）的波長範圍從大約 380 納米的紫色到大約 700 納米的紅色。這太大了，因（yīn）為我們希望製造隻有幾納米大（dà）小的設備。這項工作（zuò）旨在創建一個框架，使技術超越摩（mó）爾定律和經典電子學。如果你試（shì）圖將“輕”和“小”放在（zài）一起，這正是（shì）等離子激（jī）元發揮作用的地方。”如果等離子激元有一個美好（hǎo）的未來（lái），成就可能有助於克（kè）服信號大小不（bú）匹配的問題，這種不匹配會（huì）威脅到由不同材料製成的組件（jiàn）的集成。這些混合組件（jiàn）將需要在下一代光電設備中相（xiàng）互“對話”。等離子體激（jī）元可以彌補這一差距。等離子現象首先在金屬中觀察到，因為它們的自由電子是導電的。團隊使用了由透明半導（dǎo）體（tǐ）製成的（de）立方體，這種（zhǒng）半（bàn）導體（tǐ）的行為類似於金屬，摻雜了錫和氟的氧化銦。立方體是半（bàn）導體（tǐ）這一事（shì）實是其能量可調性的（de）關鍵。光波的能量（liàng）與其頻率有關。頻率越高（gāo），波長（zhǎng）越短。可見（jiàn）光的波長在人眼中表現為顏色。因為可以摻雜半導體，也就是（shì）說，可以添加少量雜質，它的波長可（kě）以在（zài）光譜上移動。
該研究的立方體每個都（dōu）有 10 納米寬（kuān），遠小於可見光的波長。立方體被放置（zhì）在洗（xǐ）滌（dí）劑中以防止結塊（kuài）並移液到基板上，在那裏（lǐ）它們自組裝成二維陣列。一層清潔（jié）劑圍繞著每個立方體，將它們均勻地（dì）隔開（kāi）。去除去（qù）汙（wū）劑後，陣（zhèn）列被送到（dào） 相關機（jī）構。“立方體（tǐ）不直接（jiē）接觸對集體行為很重要，”將立方體組織成不同結構的羅卡普裏奧（ào）說。“每個立方體都有自（zì）己（jǐ）的等離子體行為（wéi）。當我們將它們以納米線等幾何形狀組合在（zài）一（yī）起時，它們會相互交流並產（chǎn）生新的（de）效果，這些（xiē）效果通常不會出（chū）現在（zài）不是（shì）由單個（gè）元素組成的類似幾何形狀中。”該（gāi）研究建（jiàn）立在先前的工作之上，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以雕刻的，”羅卡普裏奧說。“歸（guī）根結底，我們對電子波很感興趣，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：“我們希望從偶然使用自然界（jiè）中存在的東西過渡到製造具有正確響應的材料。我們可以（yǐ）采用一個立方體係統，在其上照射光並將能量引導到我們希望它們所在位置的小體積中。”
這個項目對專家來說很自然，他在研究生院進行了大量（liàng）的電子束光刻，甚（shèn）至在他的車庫裏建（jiàn）造了一台機器（qì）來製造和研磨 3D 打印結構。在 相關機構，他（tā）嚐（cháng）試使用電子顯微鏡（jìng）的光束，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（kuài）立方體或整個立方體來製（zhì）作有圖案的物（wù）體。他還發現，就像（xiàng）添加化學元素（sù）可以調節立方體能量一樣，選擇性（xìng）去除化學元素也是如（rú）此。這（zhè）種原子精（jīng）度（dù）可以通過掃描透射電子顯微鏡或 STEM 實現。
表征單個立方體內和集體立方體組件之間的等（děng）離子體行（háng）為的（de）關鍵是一種（zhǒng）稱（chēng）為電子能量損失光（guāng）譜的技術。它使用 STEM 儀器，電子束被過濾成窄範圍內的能量。當電子穿過樣品時，光束會失去能（néng）量，與（yǔ）材料（liào）中的電子相互作用，並通過激發等離子體將少量能量轉移到係統中。電子能量損（sǔn）失光譜法提供了對與等離子體行為相關的奇異物理和量（liàng）子現象（xiàng）的深入（rù）見解，”“電子能量損失（shī）光（guāng）譜（pǔ）使我們能夠（gòu）在雕刻立（lì）方體時（shí）實時分析不斷變化的等（děng）離子體響應。我們（men）可以（yǐ）弄清楚立方體排列與其等離子（zǐ）體特性之間的關係。”科學家們計劃創建一個材（cái）料、結（jié）構和等離子體特性之間的關係庫。這一新知識將為最（zuì）終大規模生產可（kě）以在等（děng）離子體納（nà）米電路中引導（dǎo）光流的結構提供基礎理解。根（gēn）據專家的說法，“這個想法是使用機器學習來理解關係，然（rán）後自動化這（zhè）個過程。”
