NIST-onderzoekers hebben de autonome computergestuurde assemblage van atomen in perfecte nanostructuren aangetoond met behulp van een lage temperatuur scanning tunneling microscoop. De resultaten, gepubliceerd in een uitgenodigd artikel in de Beoordeling van wetenschappelijke instrumenten , tonen de constructie zonder menselijke tussenkomst van kwantumbegrensde tweedimensionale nanostructuren met behulp van enkele atomen of enkele moleculen op een koperen oppervlak.

Een belangrijk doel van nanotechnologie is het ontwikkelen van zogenaamde "bottom-up"-technologieën om materie naar believen te rangschikken door atomen precies te plaatsen waar men ze wil hebben om nanostructuren met specifieke eigenschappen of functie te bouwen. De onderzoekers, onder leiding van Robert Celotta en Joseph Stroscio van de CNST, hebben de eerste stappen naar het bereiken van dat vermogen gedemonstreerd met behulp van de atoommanipulatiemodus van een scanning tunneling microscope (STM) in combinatie met autonome bewegingsalgoritmen.

Het team, waaronder Stephen Balakirsky (voorheen in EL en nu bij Georgia Tech), Aaron Fein (PML), Frank Hess (voorheen in de CNST), en Gregory Rutter (voorheen in de CNST en nu bij Intel), gebruikte autonome algoritmen om afzonderlijke atomen en moleculen te manipuleren, net als de algoritmen voor "handsfree" autorijden. Het systeem scant eerst de locaties van beschikbare atomen op het oppervlak. Het specificeert vervolgens de gewenste coördinaten van atomen van een nanostructuur, en berekent en stuurt autonoom de banen voor de STM-sondetip om alle atomen naar hun gewenste locaties te verplaatsen.

Het team kon aantonen dat het autonoom kobaltatomen kon construeren tot nanostructuren die de kwantumeigenschappen van de oppervlakte-elektronen van koper beperken. Vervolgens gebruikte het de STM om die eigenschappen te meten. Naast het demonstreren van de constructie van nanostructuren gemaakt van atomen, ze toonden aan dat het mogelijk was om roosters op nanoschaal te construeren die zijn gemaakt van koolmonoxidemoleculen en om op maat gemaakte kwantumdots te maken die zijn gevormd uit vacatures in de koolmonoxideroosters.

De onderzoekers zijn van mening dat een benadering op basis van autonome constructie van atomen en moleculen met behulp van deze techniek de basis zou kunnen zijn voor een gemakkelijk toegankelijke toolkit voor het produceren van op maat gemaakte kwantumtoestanden met toepassingen in kwantuminformatieverwerking en nanofotonica.