梦寐以求的胶体金刚石终于问世!
长期以来,科学家一直在寻找一种材料,能让光的行为像半导体中的电子一样。现在,科学家似乎找到了一种能大规模生长这种材料的方法,并有望推动计算领域的进步。
doi:10.1038/d41586-020-02656-z | 原文链接

物理学家Eli Yablonovitch曾在1987年预测了一种叫做光子带隙晶体photonic bandgap crystalPBC)的材料,可以像微电路处理电子信号一样处理光子[1]。从那之后,研究人员微细加工出了一维和二维版本的PBC[2],并找到了若干应用场景。虽然可以通过直接微细加工制造出一些小型的PBC[3],但是大型的三维PBC材料仍然可见不可及,以至于它潜在的应用——新一代计算机等——也没能出现。何明昕等人在《自然》上发文报告[4],他们生长出了一种蛋白石样晶体,拥有PBC所要求的罕见结构:透明微粒子像金刚石中的碳原子一样排列。若要构建可用的PBC,需要把这些材料当成模具,从而形成瑞士奶酪一样的反蛋白石结构——在当前晶体包含粒子的地方形成空洞。


为了解释PBC和半导体这类材料的物理性质,想象你正在一片犁出沟的土地上奔跑,如果你的步长和沟的间距一致,你可以选择两个速度中的一个:每次踩在沟的顶部,这样跑得比较快;每次踏在泥泞的沟里,这样跑得比较慢。类似地,当一道波穿越疏密相间的周期性介质时,它同样有两种传播方式:波峰踩在介质的峰上,或是波峰踏进介质的谷底。一般来说,这样的波有两种可能的能量,分别对应这两种传播方式;任何波的能量都不可能取到二者之间的值。


在三维晶体里,这些沟的间距和间隙能量取决于波的传播方向与晶格轴之间的夹角。但对于某些晶体来说,在一段波能量范围内,波在任何方向上都无法传播,这段能隙也被称为带隙bandgap)。在硅晶体半导体中,波就是电子,带隙意味着特定能量的电子不可能存在,晶体管一类的元件便应运而生——这种小开关在现代电子器件中无处不在。

金刚石.jpg

图1 | 生长蛋白石样晶体,该晶体具有研究人员长期追求的类似于金刚石的结构。a,何明昕等人[4]合成了一种微观塑性粒子:四个球体合并成一个四面体形状,每个面的中心都有一块凹陷的粘性贴片。图中的部分粘性贴片被标成了蓝色。b,当悬浮在水中的时候,这些粒子之间就会由粘性贴片粘在一起,自发形成蛋白石样的有序材料,而这些粒子的排列也类似于晶体中原子的排列方式。在图中所示的晶体中,这些粒子模仿的是金刚石中碳原子的排列。比例尺是1µm。

Yablonovitch从理论上证明了光波也有类似的带隙现象,但这种现象只存在于少数与金刚石晶格相似的晶体结构中,而且必须由特定透明材料制成的微观粒子构成。碰巧的是,这种尺度的微粒子通常会自发排列成类似的有序结构,这种结构被称为胶体晶体(colloidal crystal)。事实上,蛋白石就是自然形成的硅粒子化石胶体晶体,而蛋白石所发出的光泽就是源于上面提到的能隙。当光线射到蛋白石上,一些光子的能量(对应一种颜色)正好处于带隙之中。这种光子无法进入晶体,便达到了近100%的反射率。带隙能量(以及反射的颜色)取决于入射光的方向,给了蛋白石特有的“火焰”色。


上世纪90年代,人们乐观地认为有一种简单的方法能制造出类似金刚石的胶体晶体,但事实上,需要二十多年的积淀和多次技术革新[5],才让何明昕等人的成果有了实现的可能。在金刚石晶格中,每个粒子都和四个最近的相邻粒子等距相连。但要形成金刚石,每个粒子只与四个相邻粒子相连是不够的。当两个粒子接近时,它们还必须旋转到正确的角度,这样和它们相连的其他六个粒子才能达到正确的相对取向。


为完成这一艰难操作,何明昕等人合成了一种有点像充气动物气球的微观塑性“积木”。每块积木由四个球体构成一个四面体。四面体每个表面中央都有一块凹陷的粘性贴片(图1a)。当这些积木悬浮一滴水中,通过粘性贴片连接起来的积木会被迫按照需要的角度排列。于是,这些粒子就能自发组成高度有序、稳定的晶体,并具有研究人员一直梦寐以求的金刚石结构(图1b)


作者目前合成出的晶体仅有约10万个粒子,重量不到1微克。不过,将他们的工艺推广到大规模应当没有什么困难。到那时,只要用化学方法向这些晶体的空隙中填满纯硅(对应红外线)或二氧化钛(对应可见光),并将这些粒子溶解掉就可以了。


PBC最令人激动的一种潜在应用是量子计算机。在量子计算机里,经典计算机储存0或1的数字比特变成了可以同时取0和1的量子比特(qubit)。这种替代让密码破译时遇到困难的许多组合问题可以用量子比特快速解决。建造实用的量子计算机的挑战在于如何把许多量子比特连接起来,这通常会用到光学信号,此外还要将量子比特隔离开来,以防它们被外界的干扰打乱。


在PBC微电路中绕一圈光子能解决第一个问题,而且二维PBC已经被用来建造量子装置的原型机了[6]。但是因为目前的量子光学电路板都是很薄的二维片,因此性能也会受限——光子可能会漏出来,外界的干扰也可能漏进去。同时解决这两个问题有一个简单办法,那就是用两片三维PBC板夹住这些电路。从更大的角度看,大型PBC还能让各种技术用于制造大型量子系统[7]、利用光线进行控制,以及与经典电子器件的接口[8]。PBC技术的最终潜力和应用场景可能要看我们的想象力到底有多丰富了。

参考文献

1. Yablonovitch, E. Phys. Rev. Lett.58, 2059–2062 (1987).

2. Painter, O. et al. Science 284, 1819–1821 (1999).

3. Subramania, G. et al. Nano Lett.11, 4591–4596 (2011).

4. He, M. et al. Nature 585, 524–529 (2020).

5. Wang, Y. et al. Nature 491, 51–55 (2012).

6. Olthaus, J., Schrinner, P. P. J., Reiter, D. E. & Schuck, C. Adv. Quantum Technol. 3, 1900084 (2020).

7. Jiang, J.-H. & John, S. Sci. Rep.4, 7432 (2014).

8. Rudolph, T. APL Photon2, 030901 (2017).


原文以Elusive photonic crystals come a step closer为标题发表在 2020年9月23日的《自然》新闻与观点版块

© nature

doi: 10.1038/d41586-020-02656-z

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