Richard Feynman stelde de beroemde vraag in 1959:is het mogelijk om individuele atomen in materialen te zien en te manipuleren? Een tijdlang leek zijn visie meer sciencefiction dan wetenschap, maar beginnend met baanbrekende experimenten in de late jaren tachtig en meer recente ontwikkelingen in elektronenmicroscopie-instrumentatie, is het een wetenschappelijke realiteit geworden. Echter, schade veroorzaakt door de elektronenstraal is vaak een probleem bij dergelijke experimenten.

De huidige studie concentreerde zich op enkellaags grafeen met siliciumatomen ingebed in het rooster, eerder gemaakt en bestudeerd door de medewerkers uit Manchester en Daresbury in het VK. Vanwege de grotere afmeting van silicium in vergelijking met koolstof, deze doteringsatomen steken uit het vliegtuig, wat zorgt voor een interessante dynamiek onder de elektronenbundel. De gedetailleerde simulaties uitgevoerd aan de Universiteit van Wenen toonden aan dat de 60 kiloelektronvolt-elektronen die de geavanceerde Nion-microscopen van beide teams gebruiken voor het afbeelden van de structuur, niet energiek genoeg zijn om waarschijnlijk de regelrechte uitwerping van atomen te veroorzaken, in overeenstemming met wat was waargenomen.

Cruciaal, echter, koolstofatomen naast een siliciumdotering zijn iets minder sterk gebonden, en net genoeg schoppen kunnen krijgen om bijna uit het rooster te ontsnappen, maar worden heroverd vanwege een aantrekkelijke interactie met het siliciumatoom. In de tussentijd, het silicium ontspant in de roosterpositie die leeg is gelaten door het getroffen koolstofatoom, die zo landt terug in het rooster aan de andere kant van waar het begon. In werkelijkheid, de silicium-koolstofbinding is omgekeerd, die direct werd gezien door de microscopieteams. Het analyseren van de experimentele gegevens van bijna 40 van dergelijke sprongen gaf een waarschijnlijkheid die direct kon worden vergeleken met de simulaties, met opmerkelijke overeenstemming.

Behalve dat het mooie natuurkunde is, de bevindingen openen veelbelovende mogelijkheden voor engineering op atomaire schaal:"Wat onze resultaten echt intrigerend maakt, is dat de bindingsflip directioneel is - het silicium beweegt om de plaats in te nemen van het koolstofatoom dat werd geraakt door een sonde-elektron", legt hoofdauteur Toma Susi uit, natuurkundige en FWF Lise Meitner Fellow aan de Universiteit van Wenen. "Dit betekent dat het mogelijk moet zijn om de beweging van een of meer siliciumatomen in het rooster met atomaire precisie te regelen. Dus misschien zien we in de nabije toekomst een nieuw soort kwantumcorral of een universiteitslogo gemaakt van siliciumatomen in grafeen toekomst", concludeert hij.