De ultieme mate van controle voor engineering zou het vermogen zijn om materialen op het meest basale niveau te creëren en te manipuleren, apparaten atoom voor atoom fabriceren met nauwkeurige controle.

Nutsvoorzieningen, wetenschappers van het MIT, de Universiteit van Wenen, en verschillende andere instellingen hebben een stap in die richting gezet, het ontwikkelen van een methode die atomen kan herpositioneren met een sterk gefocuste elektronenstraal en hun exacte locatie en bindingsoriëntatie kan regelen. De bevinding zou uiteindelijk kunnen leiden tot nieuwe manieren om kwantumcomputers of sensoren te maken, en luiden een nieuw tijdperk van "atoomtechniek, " ze zeggen.

Het voorschot wordt vandaag beschreven in het journaal wetenschappelijke vooruitgang , in een paper van MIT-professor nucleaire wetenschap en techniek Ju Li, afgestudeerde student Cong Su, Professor Toma Susi van de Universiteit van Wenen, en 13 anderen bij MIT, de Universiteit van Wenen, Oak Ridge Nationaal Laboratorium, en in China, Ecuador, en Denemarken.

"We gebruiken veel van de instrumenten van nanotechnologie, " legt Li uit, die een gezamenlijke aanstelling heeft in materiaalkunde en techniek. Maar in het nieuwe onderzoek die tools worden gebruikt om processen te sturen die nog een orde van grootte kleiner zijn. "Het doel is om één tot een paar honderd atomen te controleren, om hun posities te controleren, controle over hun laadtoestand, en hun elektronische en nucleaire spintoestanden controleren, " hij zegt.

Terwijl anderen eerder de posities van individuele atomen hebben gemanipuleerd, zelfs een nette cirkel van atomen op een oppervlak creëren, dat proces omvatte het oppakken van individuele atomen op de naaldachtige punt van een scanning tunneling microscoop en ze vervolgens op hun plaats te laten vallen, een relatief langzaam mechanisch proces. Het nieuwe proces manipuleert atomen met behulp van een relativistische elektronenstraal in een scanning transmissie-elektronenmicroscoop (STEM), dus het kan volledig elektronisch worden bestuurd door magnetische lenzen en vereist geen mechanische bewegende delen. Dat maakt het proces potentieel veel sneller, en zou zo tot praktische toepassingen kunnen leiden.

Met behulp van elektronische controles en kunstmatige intelligentie, "We denken dat we uiteindelijk atomen kunnen manipuleren op microseconden tijdschalen, ', zegt Li. 'Dat is vele ordes van grootte sneller dan we ze nu kunnen manipuleren met mechanische sondes. Ook, het moet mogelijk zijn om veel elektronenstralen tegelijkertijd op hetzelfde stuk materiaal te laten werken."

"Dit is een opwindend nieuw paradigma voor atoommanipulatie, ' zegt Susi.

Computerchips worden meestal gemaakt door een siliciumkristal te "dopen" met andere atomen die nodig zijn om specifieke elektrische eigenschappen te verlenen, waardoor 'defecten' in het materiaal ontstaan ​​- gebieden die de perfect geordende kristallijne structuur van het silicium niet behouden. Maar dat proces is verstrooid, Li legt uit, dus er is geen manier om met atomaire precisie te controleren waar die doteringsatomen naartoe gaan. Het nieuwe systeem maakt exacte positionering mogelijk, hij zegt.

Dezelfde elektronenstraal kan worden gebruikt om een ​​atoom zowel uit de ene positie als in de andere te slaan, en vervolgens de nieuwe positie "lezen" om te verifiëren dat het atoom terechtkwam waar het bedoeld was, zegt Li. Hoewel de positionering in wezen wordt bepaald door waarschijnlijkheden en niet 100 procent nauwkeurig is, de mogelijkheid om de werkelijke positie te bepalen maakt het mogelijk om alleen die te selecteren die in de juiste configuratie zijn terechtgekomen.

Atoom voetbal

De kracht van de zeer nauw gefocuste elektronenstraal, ongeveer zo breed als een atoom, slaat een atoom uit zijn positie, en door de exacte hoek van de straal te selecteren, de onderzoekers kunnen bepalen waar het het meest waarschijnlijk zal eindigen. "We willen de straal gebruiken om atomen uit te schakelen en in wezen om atoomvoetbal te spelen, " de atomen over het grafeenveld laten druppelen naar hun beoogde "doel"-positie, hij zegt.

"Net als bij voetbal, het is niet deterministisch, maar je kunt de kansen beheersen, "zegt hij. "Net als bij voetbal, je probeert altijd naar het doel te gaan."

In de experimenten van het team, ze gebruikten voornamelijk fosforatomen, een veelgebruikt doteringsmiddel, in een vel grafeen, een tweedimensionale laag koolstofatomen gerangschikt in een honingraatpatroon. De fosforatomen vervangen uiteindelijk koolstofatomen in delen van dat patroon, waardoor het elektronische materiaal van het materiaal wordt gewijzigd, optisch, en andere eigenschappen op manieren die kunnen worden voorspeld als de posities van die atomen bekend zijn.

uiteindelijk, het doel is om meerdere atomen op complexe manieren te verplaatsen. "We hopen de elektronenstraal te gebruiken om deze doteringen in principe te verplaatsen, zodat we een piramide konden maken, of een defect complex, waar we precies kunnen aangeven waar elk atoom zit, "zegt Li.

Dit is de eerste keer dat elektronisch verschillende doteringsatomen zijn gemanipuleerd in grafeen. "Hoewel we al eerder met siliciumonzuiverheden hebben gewerkt, fosfor is zowel potentieel interessanter vanwege zijn elektrische en magnetische eigenschappen, maar zoals we nu hebben ontdekt, gedraagt ​​zich ook op verrassend verschillende manieren. Elk element kan nieuwe verrassingen en mogelijkheden bevatten, ' voegt Susi toe.

Het systeem vereist een nauwkeurige regeling van de stralingshoek en energie. "Soms hebben we ongewenste resultaten als we niet voorzichtig zijn, "zegt hij. Bijvoorbeeld, soms gaat een koolstofatoom dat bedoeld was om op zijn plaats te blijven "gewoon weg, " en soms wordt het fosforatoom op zijn plaats in het rooster opgesloten, en "dan maakt het niet uit hoe we de stralingshoek veranderen, we kunnen zijn positie niet beïnvloeden. We moeten een andere bal zoeken."

Theoretisch kader

Naast gedetailleerde experimentele testen en observatie van de effecten van verschillende hoeken en posities van de bundels en grafeen, het team bedacht ook een theoretische basis om de effecten te voorspellen, genoemd primair domino-ruimteformalisme, die het momentum van de 'voetbalbal' volgt. "We deden deze experimenten en gaven ook een theoretisch kader over hoe dit proces te beheersen, "zegt Li.

De cascade van effecten die het gevolg is van de initiële bundel vindt plaats over meerdere tijdschalen, Li zegt, waardoor de observaties en analyse lastig uit te voeren zijn. De feitelijke initiële botsing van het relativistische elektron (bewegend met ongeveer 45 procent van de lichtsnelheid) met een atoom vindt plaats op een schaal van zeptoseconden - biljoensten van een miljardste van een seconde - maar de resulterende beweging en botsingen van atomen in het rooster ontvouwt zich over tijdschalen van picoseconden of langer - miljarden keren langer.

Doteringsatomen zoals fosfor hebben een kernspin die niet nul is, wat een belangrijke eigenschap is die nodig is voor op kwantum gebaseerde apparaten, omdat die spintoestand gemakkelijk wordt beïnvloed door elementen van zijn omgeving, zoals magnetische velden. Dus het vermogen om deze atomen precies te plaatsen, zowel qua positie als binding, zou een belangrijke stap kunnen zijn in de richting van de ontwikkeling van kwantuminformatieverwerkings- of detectieapparatuur, zegt Li.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.