(Phys.org) —In een van de kleinste veranderingen ooit gemaakt, vijf atomen lijken om elkaar heen te "dansen" in een complexe choreografische opeenvolging, met hun definitieve regeling die overeenkomt met een van de twee stabiele toestanden. Deze gezamenlijke beweging van meerdere atomen is anders dan bij andere nanoschakelaars, waarbij typisch beweging van slechts een enkel atoom of molecuul betrokken is. De beweging van meerdere atomen geeft de schakelaar een groot voordeel:door zijn stabiliteit, het is een van de weinige schakelaars op atomaire schaal die bij kamertemperatuur kan werken in plaats van bij cryogene temperaturen.

De onderzoekers, Eichi Inami, et al., aan de Osaka University en het Japanse National Institute for Materials Science, hebben hun paper over de kamertemperatuur gepubliceerd, schakelapparaat op atomaire schaal in een recent nummer van Natuurcommunicatie .

Nano-schakelaars maken deel uit van het grotere doel om geminiaturiseerde elektronische componenten te ontwikkelen, waar enkele atomen en moleculen dienen als de kleinste bouwstenen die fysiek mogelijk zijn. Wetenschappers gebruiken de uiteinden van de microscoop, zoals die op scanning tunneling microscopen (STM's) en atomic force microscopen (AFM's), om single-electron pulsen toe te passen die individuele atomen en moleculen op een gecontroleerde manier verplaatsen.

Hoewel veel schakelaars op atomaire schaal zijn gedemonstreerd met behulp van deze microscopen, de meeste schakelaars werken alleen bij cryogene temperaturen. Dit komt omdat warmte oncontroleerbare processen veroorzaakt die interfereren met de atoombeweging, waardoor er op ongewenste momenten wordt geschakeld.

Om een ​​stal te maken, kamertemperatuur, atomaire schaalschakelaar, de onderzoekers in de nieuwe studie gebruikten een microscooppunt om lood (Pb) -atomen één voor één te verzamelen en ze in een afgesloten cel van een halve eenheid op een silicium (Si) oppervlak te plaatsen. Hoewel individuele Pb-atomen "thermisch hoppen, " vonden de onderzoekers dat een cluster van drie Pb-atomen (Pb ₃ ) is thermisch stabiel bij kamertemperatuur vanwege zijn grotere formaat, maar toch klein genoeg om te reageren op de elektrische stroom van de punt van de microscoop.

Zoals blijkt uit experimenten en modellering, elke begrensde cel heeft twee mogelijke stabiele rangschikkingen van Pb ₃ en Si-atomen. Om tussen staten te wisselen, een microscooppunt wordt gescand over een specifiek Pb- of Si-atoom, die een complexe beweging veroorzaakt waarbij twee Pb- en drie Si-atomen betrokken zijn. De onderzoekers beschrijven deze beweging als een chirale inversie, wat betekent dat de twee stabiele toestanden spiegelbeelden van elkaar zijn nadat ze zijn vertaald en geroteerd. Deze "chirale schakelaar" kan herhaaldelijk heen en weer worden geschakeld tussen de twee toestanden, die overeenkomen met hoge en lage elektrische stromen.

"Onze nanostructuurcontrole kan een functie toevoegen aan een cluster, "Inami legde uit aan" Phys.org . "Omdat een cluster - een aggregatie van enkele tot een paar honderd atomen - soms superieure eigenschappen vertoont met een bepaalde grootte en samenstelling, het beheersen van de clusterstructuur is een veelbelovende benadering voor het realiseren van apparaten op atomaire schaal. Onze techniek maakt een juiste aanpassing van de clustergrootte en samenstellende atomen mogelijk met een nauwkeurigheid van één atoom. Met behulp van deze methode, we hebben de structurele stabiliteit van een cluster nauwkeurig gecontroleerd, zodat het functioneert als een kamertemperatuurschakelaar."

Algemeen, de schakelaar toont aan dat Pb ₃ kan mogelijk functioneren als een basiseenheid van het geheugen. Om een ​​compleet geheugenapparaat te realiseren, meerdere cellen moeten worden geïntegreerd in een periodiek, goed geordende reeks. De wetenschappers suggereren dat zelfassemblageprocessen kunnen worden gebruikt om zo'n geheugenapparaat te construeren, en kan uiteindelijk leiden tot het opnemen en lezen van informatie bij kamertemperatuur met ultrahoge dichtheid.

"We denken dat deze omschakeling een krachtig hulpmiddel kan worden voor fundamenteel onderzoek, " zei Inami. "Bijvoorbeeld, de schakelaar heeft een interessante functie, dat de omschakeling plaatsvindt tussen tegengestelde chiraliteit, resulterend in een chirale schakelaar. Chirale technologie gericht op de synthese van 'enantiozuivere verbindingen' [die slechts één chirale vorm hebben] biedt ultieme controle over chemische reacties en is een doelwit geweest in de natuurkunde, scheikunde, biologie en farmacologie. Onze aanpak kan schakelbare chirale motieven construeren op atomair precieze posities, zoals de creatie van homochirale domeinen/clusters en de toewijzing van chirale soorten in de buurt van sommige reactieve elementen. Deze kunnen een aanwijzing geven om chirale selectieve reacties in principe vanuit een microscopisch perspectief te begrijpen."

In de toekomst, de onderzoekers zijn van plan hun techniek toe te passen op het ontwerpen van andere apparaten op nanoschaal.

"Een van onze toekomstplannen is om andere nieuwe functionaliteiten te verkennen die verborgen zijn in verschillende clusters, " zei Inami. "Onze techniek om atomair gedefinieerde clusters te construeren is breed toepasbaar op verschillende elementen. Dit motiveert ons om een ​​verscheidenheid aan clusters met verschillende functionaliteiten te creëren en deze systematisch in te bedden in gewenste nanoschaalregio's. We geloven dat dit nieuwe nanofabricage mogelijk maakt om geïntegreerde elektronica op atomaire schaal te bereiken."

© 2015 Fys.org