Stel je voor dat silicium op atomair niveau wordt gemodelleerd en gevisualiseerd, iets met, indien succesvol gedaan, zal een revolutie teweegbrengen in de kwantum- en klassieke computerindustrie. Een team van wetenschappers in Edmonton, Canada heeft precies dat gedaan, geleid door een wereldberoemde natuurkundige en zijn opkomende protégé.

Promovendus Taleana Huff van de Universiteit van Alberta werkte samen met haar supervisor Robert Wolkow om een ​​techniek genaamd atomic force microscopy - of AFM - te kanaliseren om elektronische circuits op atomair niveau te modelleren en af ​​te beelden. Dit is de eerste keer dat de krachtige techniek is toegepast op fabricage op atoomschaal en beeldvorming van een siliciumoppervlak, notoir moeilijk omdat de handeling van het toepassen van de techniek het silicium kan beschadigen. Echter, de beloning is het risico waard, omdat dit niveau van controle de revolutie van de technologische industrie zou kunnen stimuleren.

"Het is een beetje zoals braille, " legt Huff uit. "Je brengt de atomair scherpe punt heel dicht bij het monsteroppervlak om de atomen eenvoudig te voelen door de krachten te gebruiken die van nature tussen alle materialen bestaan."

Een van de problemen bij het werken op atomaire schaal is het risico dat je het ding dat je aan het meten bent, verstoort door het te meten. Snuif, Wolk, en hun onderzoeksmedewerkers hebben die problemen grotendeels overwonnen en kunnen daardoor nu bouwen door individuele atomen te verplaatsen:het belangrijkste is, die atomair gedefinieerde structuren resulteren in een nieuw niveau van controle over afzonderlijke elektronen.

Dit is de eerste keer dat is aangetoond dat de krachtige AFM-techniek niet alleen de siliciumatomen ziet, maar ook de elektronische bindingen tussen die atomen. Centraal in de techniek staat een krachtige nieuwe computationele benadering die de identiteit van de atomen en bindingen in de afbeeldingen analyseert en verifieert. "We hadden deze nieuwe en veeleisende berekeningen niet kunnen uitvoeren zonder de steun van Compute Canada. Deze gecombineerde berekenings- en meetbenadering slaagt erin een basis te leggen voor een geheel nieuwe generatie van zowel klassieke als kwantumcomputerarchitecturen, ' zegt Wolk.

Hij heeft zijn langetermijnvisie op het maken van ultrasnelle en ultralaagvermogen op silicium gebaseerde circuits, mogelijk tienduizend keer minder stroom verbruiken dan wat er op de markt is.

"Stel je voor dat de batterij van je telefoon een dag meegaat, dat hij weken achtereen kan meegaan, omdat je maar een paar elektronen per rekenpatroon gebruikt, " zegt Huf, die uitlegt dat de precisie van het werk de groep en potentiële investeerders in de industrie in staat zal stellen atomen geometrisch te modelleren om zowat elke denkbare logische structuur te maken.

Dit hands-on werk was precies wat de zelf-beschreven Canadese van geboorte Amerikaan van persoonlijkheid naar de fysica van de gecondenseerde materie in de Faculteit der Wetenschappen van de Universiteit van Alberta trok. Na haar bachelorwerk in de astrofysica - en een stage bij NASA - voelde Huff de drang om meer tastbaar te worden met haar afstudeerwerk. (Met hobby's zoals powerliften en motorrestauratie, ze komt heel eerlijk door het verlangen naar tastbaarheid.) "Ik wilde iets dat ik kon aanraken, iets dat een fysiek product zou worden waar ik meteen mee aan de slag kon, "zegt Huff.

En in termen van met wie ze wilde werken, ze ging regelrecht naar de top, op zoek naar Wolkow, wereldberoemd om zijn werk met kwantumstippen, bungelende banden, en industrie-duwend werk op atomaire schaal wetenschap. "Hij heeft zo'n passie en overtuiging voor wat hij doet, " vervolgt ze. "Met Bob, het is als, 'we gaan de wereld veranderen.' Ik vind dat heel inspirerend, "zegt Huff.

"Taleana heeft de passie en de drive om zeer uitdagende dingen voor elkaar te krijgen. Ze heeft nu inzicht en vaardigheden die echt uniek zijn in de wereld, wat ons een groot voordeel geeft in het veld, "zegt Wolkow. "We moeten gewoon aan haar muzieksmaak werken, ’ voegt hij er lachend aan toe.

De laatste onderzoeksresultaten van de groep, "Mogelijke waarneming van het contrast van chemische bindingen in AFM-afbeeldingen van een op waterstof eindigend siliciumoppervlak" werd gepubliceerd in de 13 februari, 2017 uitgave van Natuurcommunicatie .