科學家們用電子（zǐ）顯微鏡的光束鑽（zuàn）孔，精確地加工出可以與光相互作用的微小導電立方體，並將它們組（zǔ）織成圖案結構，限製和傳遞（dì）光（guāng）的電磁信（xìn）號。該演示（shì）是（shì）朝（cháo）著可能更快的計算機芯片和更具感知力的傳感（gǎn）器邁出的一步。能源部橡樹嶺國家實驗室的科學家們（men）用電子顯微（wēi）鏡（jìng）的光束（shù）鑽孔，精確加工出可以與光相（xiàng）互作用的微小導電立方體，並將它們組織成圖案結構，限製（zhì）和傳遞光的電磁信號。該演示是朝著可能更快的計算機芯片和更具感知力的傳感器邁出的一（yī）步。這些結構的神奇之處在於它們的表麵能夠（gòu）支持稱為等離子體的電子集（jí）體波，其頻率（lǜ）與光波相同，但限製更嚴密。光導結構以納米（mǐ）或十億分之一米（mǐ）為單位（wèi）測量 - 比（bǐ）人類頭發細 100000 倍。
“這些納米級（jí）立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（jìn）行（háng）可調控製，”專家說。“這是（shì）一種連接具有不同長度尺度（dù）的信號的方法。”這一壯舉（jǔ）可能對量子和光（guāng）學計算至關（guān）重要。量子計（jì）算機使用由粒子的量子狀態確定的量子比（bǐ）特或量子比特來編碼信息。與經典位存儲的單個值相比，量子位可以存（cún）儲許（xǔ）多值。光，由（yóu）稱（chēng）為光子的無（wú）質量基本粒子傳播的電磁輻射，取代電子（zǐ）成為光學計（jì）算機中（zhōng）的信使。由於光子比電子傳播得更快並且不產生熱量，因（yīn）此光學計算機的性能（néng）和能源（yuán）效（xiào）率（lǜ）可能優於傳統計算機。
未來的技術可能會利用兩全（quán）其（qí）美。
“光是與（yǔ）量子比特通信的首選方式（shì），但你不能直接將聯係（xì）人與它們聯係起（qǐ）來，”專（zhuān）家說。“可見光的問題是它的波長範圍從大約 380 納米的紫色到大約 700 納米的紅色。這太大了，因為我們希望製造隻有幾納米大小的設（shè）備。這項工作旨在創（chuàng）建一個框（kuàng）架，使技（jì）術超越摩爾定律和經典電子學。如果你（nǐ）試（shì）圖將“輕”和“小”放在一起，這正是等離子激元發揮（huī）作用的地方。”如果等離子激元（yuán）有一個美好的未來，成就可能有助於克（kè）服信號大小不匹配的問題，這種（zhǒng）不匹配會威脅到由不同材料製成的組件的集成。這些混合組（zǔ）件（jiàn）將需要在下一代光電設（shè）備中相互“對話（huà）”。等離子體激元可以彌補這一差距。等離子（zǐ）現象首（shǒu）先在金屬中觀察（chá）到，因為它們的自由電子是導電的。團隊使用了由透明半導體（tǐ）製成的立方體，這種半（bàn）導體的行為類（lèi）似於金屬，摻雜（zá）了錫和氟的氧化銦。立方體是半導體這一事（shì）實是其（qí）能量可調性的關鍵。光波的能量與其頻（pín）率有關。頻率越高，波長越短。可見光的波（bō）長在人眼中表現為（wéi）顏（yán）色（sè）。因為可以摻雜半導體，也就是說，可以添加少量雜質，它的波長可以在光（guāng）譜上移（yí）動。
該（gāi）研究的立方體（tǐ）每個都有 10 納米寬，遠小於可見光的波長。立方體（tǐ）被放置（zhì）在洗滌劑中以防止結塊並移液到基板上，在那裏它們自組裝成二維陣列。一層清潔劑圍繞著每個立方體，將它們均勻地隔開。去除去汙劑（jì）後，陣列被送到 相關機構。“立方體不直接接觸對（duì）集體行為很重要，”將立方（fāng）體（tǐ）組織成不同結構的羅卡普裏奧說。“每個立方體（tǐ）都（dōu）有自己的等離子體行為（wéi）。當我們將它們以納米線等幾何形狀組合在一起時，它們會相互交流並產生新的效果，這些效果通常不會出現在不是由單個元素（sù）組成的類似幾（jǐ）何形狀中（zhōng）。”該研（yán）究（jiū）建立在先（xiān）前的工作之上，即用電子束雕刻小至納米的三維結構。“目前（qián）的論文（wén）證明，等離子體效應（yīng）以及結構是可以雕刻的，”羅卡普裏奧說。“歸根結底，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中存在的東西過渡到製（zhì）造具有正確響應的材料。我們可以（yǐ）采用一個（gè）立方體係統（tǒng），在其上照（zhào）射光（guāng）並將能量引導到我們希望它們所在位置的小體積中。”
這（zhè）個項目對專家來（lái）說很自然，他在研究生院進行了大量的電子束光刻，甚至在他的車庫裏建造了一台機器（qì）來（lái）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的光束，調整其電流以有意地從成（chéng）像模式轉變（biàn）為修改模式。他發現他可以隨意從陣列中取出一小塊立方（fāng）體或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節立方體能量一樣，選擇性去除（chú）化學元素也是如此。這種原子（zǐ）精度可以通過掃描（miáo）透射電子顯微鏡或 STEM 實現。
表征單個（gè）立方體內和集體（tǐ）立方體組件之間的等離子體行為的關鍵是一種稱為電子能（néng）量損失光譜的（de）技術。它使用 STEM 儀器，電子束被（bèi）過（guò）濾成窄範圍內的（de）能量。當電子穿過樣品時，光束會失去（qù）能量，與材料中的電子相互作（zuò）用，並通（tōng）過激發等離子體將少量（liàng）能量轉移到係統中（zhōng）。電子能（néng）量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，”“電子能量損失光譜（pǔ）使我們能夠在雕刻立方體時（shí）實時分析不斷變（biàn）化的等離子體響應。我們可以弄清楚立方體排列與其等離子體特性之間的關係。”科學家們計劃（huá）創建（jiàn）一個材料、結構和（hé）等離子（zǐ）體特性（xìng）之間的關係庫。這一新知識將為最終大規模生產可以（yǐ）在（zài）等離子體納米電路中引導光流的結構提供基礎理解。根據專家的說法，“這個（gè）想法是使用機器學（xué）習來理解關係，然後自動化這個過程。”
