科學家們用電子顯（xiǎn）微鏡的（de）光束鑽孔，精確地加工出可（kě）以與光相互作用的微小導電立方體，並將它們組織成圖案結構，限製和傳遞光的電磁信號。該演示（shì）是朝著可能更快的（de）計算機芯片（piàn）和更具感知力的傳感器（qì）邁出的一步。能源（yuán）部橡樹（shù）嶺國家（jiā）實驗室的（de）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（dì）光的電磁信號。該演示是朝著可能更快的計算（suàn）機芯片和更具感知力的傳感器邁出的一步。這些結構的神奇之處在（zài）於它們的表麵能夠支（zhī）持稱為等（děng）離子體的電子集體波，其頻率與光波相同，但限製更嚴密（mì）。光（guāng）導結構以納米或十億（yì）分之一米為單位測量 - 比人類（lèi）頭發細 100000 倍。
“這些納米級立方體（tǐ）係統允許在特定位置對光進行極端限製，並對其能量（liàng）進行可調（diào）控製，”專家說。“這是一（yī）種（zhǒng）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（shǐ）用由粒子的量子狀態確定的量子比（bǐ）特或量（liàng）子比特來編碼（mǎ）信息。與經典位存儲的單個值相比，量子位可以存儲許多值。光（guāng），由稱為光子的無質量基本粒子傳播（bō）的電磁輻射，取代（dài）電子成為光學計算機中的（de）信（xìn）使。由於光子比電子傳播得更快（kuài）並且不產生（shēng）熱量（liàng），因（yīn）此（cǐ）光學計算機的性能和能源效率可能優於傳統計算（suàn）機。
未來的技術可能（néng）會利用兩（liǎng）全其美（měi）。
“光是與量子比特通信的首（shǒu）選方式，但你不能直接將（jiāng）聯係人與它們聯係起來，”專家說。“可見光的問題是（shì）它的波長範圍從大約（yuē） 380 納（nà）米的紫色（sè）到大約 700 納米的紅（hóng）色（sè）。這太大了，因為（wéi）我們希望製造隻有幾納（nà）米大小的（de）設備。這項工作旨在創建一個框架，使技術超越摩爾定（dìng）律和（hé）經典電子學。如果（guǒ）你試圖將“輕”和“小”放（fàng）在一起，這（zhè）正是等離子激元發（fā）揮（huī）作（zuò）用的地方。”如（rú）果等離子激元有一個美好的（de）未來，成（chéng）就可能有助於克服信號大小不匹配的問題（tí），這種不匹配會威脅（xié）到由不同材料製成的組件的集成。這（zhè）些混合組件將需要在（zài）下一代光電設備中（zhōng）相互“對話”。等離子體激元可以彌補這一差距（jù）。等離子現（xiàn）象首先在金屬中觀察到，因為它（tā）們的（de）自由電子是導電的。團隊使用了由透明（míng）半導體製成的立方體，這種半導體的行為（wéi）類（lèi）似於金（jīn）屬，摻（chān）雜了錫和氟的（de）氧化銦。立方體（tǐ）是半導體這一事實是其能量可調性的關鍵。光波的能（néng）量（liàng）與其頻率（lǜ）有關。頻率越高，波長越短。可見光（guāng）的波長在人眼中表現為顏色。因為可（kě）以摻雜半導體，也就是說，可以添加少量雜質，它的波長可以在光譜上移動。
該研究的立方體每個都有 10 納米寬，遠小於可見光的波長。立方體被放置在洗滌劑（jì）中以防止（zhǐ）結塊並移液到基板上，在那裏（lǐ）它們自組裝成二維陣列。一層清潔劑圍繞著每個立方體，將它們均勻地隔開。去除去汙劑後，陣（zhèn）列被送（sòng）到（dào） 相關機構。“立方體不直接接（jiē）觸對集（jí）體行為（wéi）很（hěn）重要（yào），”將立方體組織成不同結（jié）構（gòu）的羅卡普裏奧（ào）說。“每個立方體都有自己的等離（lí）子（zǐ）體行為（wéi）。當我們將（jiāng）它（tā）們以納米線等幾何形狀組合（hé）在一起時，它們會（huì）相（xiàng）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組（zǔ）成的類似幾何形狀中。”該（gāi）研究建立在先前的工作（zuò）之上，即用電子束雕刻小至（zhì）納米（mǐ）的三維結構。“目前的論文證明，等離子體效應以及結構是（shì）可以雕刻的，”羅卡普裏奧說。“歸（guī）根結（jié）底，我們對電（diàn）子波很感興趣，它在（zài）哪裏，它的（de）能量是多（duō）少？我們正在控製這（zhè）兩（liǎng）件事。”Kalinin 補充說：“我們（men）希望從偶然（rán）使用自然界中存在的東西過渡到製造具有正確響應的材料。我們可以采用一個立（lì）方體係（xì）統，在其上照射光並將能量引導到我們（men）希望它們所在位置的（de）小體（tǐ）積中。”
這個（gè）項目對專家來說很（hěn）自然，他在研究生院（yuàn）進行了大量的電子束光刻，甚至（zhì）在（zài）他的車庫（kù）裏建造了一台機器來製造和研磨 3D 打印結構。在 相關機（jī）構，他嚐試使用電子顯微鏡（jìng）的光束，調整其電流以有意地（dì）從（cóng）成像模（mó）式轉變為修改模式（shì）。他發現他可以隨意從陣列中取出一小（xiǎo）塊立方體或整個（gè）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（yǐ）調節立方體能量一樣（yàng），選擇性去除化學元素也是如此。這種原子精度可以通過掃描透射電（diàn）子顯微鏡或 STEM 實現。
表征單個（gè）立方體內和集體立方體（tǐ）組件之間的等離子體行為的關鍵是一種（zhǒng）稱為電子能量（liàng）損失光譜的技（jì）術。它使用 STEM 儀器，電子束（shù）被過濾成窄範圍內的能量。當電子穿過樣品時，光束會失去能量，與材料中的電子相互作用，並通過激發等離子體將少量能量轉移到係統中。電子能量損失光譜法（fǎ）提供了對與等離子體行為相關的奇異物理和（hé）量子（zǐ）現象的（de）深（shēn）入見解，”“電子能（néng）量損失光譜使我們能夠在雕刻立方體時實時分析不斷變化的等離子體響應。我（wǒ）們可以弄清楚立方體排列（liè）與其等離子（zǐ）體特性之間的關係。”科學家們計劃創建一個（gè）材料、結構和等離子體特性（xìng）之間的關係（xì）庫。這一新知識將為最終大規模生產（chǎn）可以在等離子（zǐ）體納米電路中（zhōng）引導光流的（de）結構提供基礎理解。根（gēn）據專家（jiā）的（de）說法，“這個想法是使用機器學習來理解關係（xì），然後（hòu）自動化這個（gè）過程。”
