Quantum-gecontroleerde paar-foton strategie voedt de volgende generatie optische nanoprinting

In een ontwikkeling die de toekomst van micro -elektronica, optica en biomedicine zou kunnen hervormen, hebben onderzoekers van de Jinan University, in samenwerking met het Institute of Chemistry aan de Chinese Academie van Wetenschappen, een nieuwe nanoprinting -technologie onthuld die tegelijkertijd een ongekende resolutie en efficiëntie bereikt.

Hun studie, getiteld “Two-Photon Absorptie onder weinig-foton bestraling voor optische nanoprinting” is gepubliceerd in Natuurcommunicatie.

Al tientallen jaren is twee-fotonabsorptie (TPA) een hoeksteen in optische nanoprinting, maar het heeft geconfronteerd met een fundamentele afweging: hoge lichtintensiteit verhoogt de afdruksnelheid maar degradeert de resolutie en riskeert schadelijke materialen, terwijl de intensiteit met weinig licht de resolutie behoudt, maar dragisch vertraagt. Dit inherente conflict heeft al lang de evolutie van krachtige nanofabricage beperkt.

Nu heeft een team onder leiding van universitair hoofddocent Yuanyuan Zhao en professor Xuanming Duan van het Institute of Photonic Technology, Jinan University, naast onderzoeker Miling Zheng’s groep aan de Chinese Academy of Sciences geïntroduceerd, een innovatieve strategie geïntroduceerd genaamd enkele-Photon Two-Photon Absorptie (FPTPA).

Door het aantal fotonen in femtoseconde laserpulsen nauwkeurig te regelen, hebben ze aangetoond dat efficiënte absorptie van twee fotonen zelfs kan optreden onder blootstelling aan ultra-lage fotonen-het verbranden van het langdurige knelpunt van de prestaties.

De FPTPA-techniek maakt gebruik van de dualiteit van de golfdeeltjes van het licht en orkestreert zorgvuldig femtoseconde pulsen om ervoor te zorgen dat twee fotonen snel achter elkaar worden geabsorbeerd door een molecuul, zelfs bij opmerkelijk lage fotonenfluxen. Een nieuw ontwikkeld ruimtetijdmodel beschrijft de kwantummechanische interactieroutes onder deze schaarse fotonomstandigheden.

In tegenstelling tot traditionele TPA, die afhankelijk is van sterke, continue fotonvelden, maakt FPTPA zeer gelokaliseerde twee-fotonengebeurtenissen mogelijk in regio’s op nanometerschaal, waardoor de diffractielimiet effectief door de klassieke optica worden gedicteerd.

Resolutie naar de rand duwen – en verder

Met behulp van hun paar-fotonbenadering geïntegreerd met twee-foton digitale optische projectie-lithografie (TPDOPL), behaalde het team functiegroottes zo klein als 26 nanometers-slechts een twintigste van de operationele golflengte. Dit vertegenwoordigt een enorme sprong in vergelijking met traditionele laserdirect schrijfmethoden. Bovendien verbeterde het TPDOPL-systeem de doorvoer met vijf orden van grootte, waardoor grootschalige structuren met hoge resolutie snel kunnen worden afgedrukt.

Een aanvullende innovatie, in-situ blootstelling aan dubbele maskers (IDME) genoemd, werd ook geïntroduceerd. Door opeenvolgend meerdere digitale maskerpatronen bloot te leggen, fabriceerden de onderzoekers dichte nanostructuren met een periodiciteit van slechts 210 nanometer (ongeveer 0,41 keer de golflengte), ruim onder de traditionele optische limieten zonder structurele integriteit op te offeren.

Toepassingen over optica, elektronica en biomedicine

Naast het verleggen van de grenzen van de drukresolutie, vertoonde de paar-foton TPA-technologie uitzonderlijke veelzijdigheid. De onderzoekers hebben met succes een breed scala aan micro- en nanostructuren gefabriceerd- waaronder optische golfgeleiders, microringresonatoren en complexe bio-microfluïdische kanalen- waardoor het potentieel over optische communicatie en biomedische engineering wordt aangetast.

Met name is de techniek toegepast om microfluïdische chips te bouwen die worden gebruikt voor virusdetectie en celkweek, en biedt een krachtig nieuw hulpmiddel voor onderzoek van de levenswetenschappen.

Een nieuw tijdperk van toegankelijke nanomanfabricage

Cruciaal is dat deze doorbraak geen uitgebreide wijzigingen vereist in bestaande optische opstellingen. De TPA-methode met weinig foton is compatibel met standaard digitale optische projectiesystemen en biedt een kosteneffectieve, stabiele en zeer schaalbare route naar de volgende generatie Nanoman Fabricage.

“Deze technologie verandert fundamenteel hoe we denken over processen met twee fotonen”, zegt Zhao. “Het opent een praktische en efficiënte route om de fabricage van de ultrahoge resolutie te bereiken zonder de doorvoer in gevaar te brengen, de weg vrij te maken voor nieuwe vooruitgang in micro-elektronica, fotonica en biomedicine.”

Met zijn diepe theoretische fundering en brede toepassingen, staat er weinig-foton-absorptie van twee fotonen klaar om het toekomstige landschap van fabricage op nanoschaal opnieuw te definiëren.