Een nieuwe techniek die afzonderlijke atomen aanzet om van plaats in een atomair dun materiaal te wisselen, zou wetenschappers een volgende stap dichter kunnen brengen bij het realiseren van de visie van theoretisch fysicus Richard Feynman om kleine machines vanaf het atoom te bouwen.

Een belangrijke impuls om materialen te ontwikkelen die de kwantumaard van atomen benutten, drijft de behoefte aan methoden om atomair nauwkeurige elektronica en sensoren te bouwen. Het atoom voor atoom fabriceren van apparaten op nanoschaal vereist delicatesse en precisie, die is aangetoond door een microscopieteam van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy.

Ze gebruikten een scanning transmissie-elektronenmicroscoop, of STEM, in het Center for Nanophase Materials Sciences van het lab om siliciumatomen te introduceren in een enkel atoom dik vel grafeen. Terwijl de elektronenstraal over het materiaal scant, zijn energie verstoort enigszins de moleculaire structuur van het grafeen en creëert ruimte voor een nabijgelegen siliciumatoom om van plaats te wisselen met een koolstofatoom.

"We hebben een door elektronenstraal ondersteunde chemische reactie waargenomen die werd geïnduceerd op een enkel atoom en op het niveau van chemische bindingen, en elke stap is vastgelegd door de microscoop, wat zeldzaam is, " zei ORNL's Ondrej Dyck, co-auteur van een studie gepubliceerd in het tijdschrift Klein dat de STEM-demonstratie beschrijft.

Met behulp van dit proces, de wetenschappers waren verder in staat om twee, drie en vier siliciumatomen samen om clusters te bouwen en ze binnen de grafeenlaag te laten roteren. Grafeen is een tweedimensionaal, of 2-D, laag koolstofatomen die een ongekende sterkte en hoge elektrische geleidbaarheid vertoont. Dyck zei dat hij grafeen koos voor dit werk, omdat "het robuust is tegen een elektronenbundel van 60 kilovolt."

"We kunnen lange tijd naar grafeen kijken zonder het monster te beschadigen, vergeleken met andere 2-D materialen zoals overgangsmetaal dichalcogenide monolagen, die de neiging hebben om gemakkelijker uit elkaar te vallen onder de elektronenstraal, " hij voegde toe.

STEM is de afgelopen jaren naar voren gekomen als een levensvatbaar hulpmiddel voor het manipuleren van atomen in materialen met behoud van de stabiliteit van het monster.

Dyck en ORNL-collega's Sergei Kalinin, Albina Borisevich en Stephen Jesse behoren tot de weinige wetenschappers die de beweging van afzonderlijke atomen in 2D-materialen leren beheersen met behulp van de STEM. Hun werk ondersteunt een door ORNL geleid initiatief genaamd The Atomic Forge, die de microscopiegemeenschap aanmoedigt om STEM opnieuw te bedenken als een methode om materialen helemaal opnieuw te bouwen.

De vakgebieden nanowetenschap en nanotechnologie hebben de afgelopen jaren een explosieve groei doorgemaakt. Een van de eerdere stappen in de richting van Feynmans idee om kleine machines atoom voor atoom te bouwen - een vervolg op zijn oorspronkelijke theorie van atomaire manipulatie die voor het eerst werd gepresenteerd tijdens zijn beroemde lezing uit 1959 - werd gezaaid door het werk van IBM-collega Donald Eigler. Hij had de manipulatie van atomen laten zien met behulp van een scanning tunneling microscoop.

"Al decenia, De methode van Eigler was de enige technologie om atomen één voor één te manipuleren. Nutsvoorzieningen, we hebben een tweede benadering gedemonstreerd met een elektronenbundel in de STEM, " zei Kalinin, directeur van het ORNL Instituut voor Functionele Beeldvorming van Materialen. Zo'n vier jaar geleden startten hij en Jesse met onderzoek met de elektronenbundel.

Het succesvol verplaatsen van atomen in de STEM kan een cruciale stap zijn in de richting van het fabriceren van kwantumapparaten één atoom tegelijk. De wetenschappers zullen vervolgens proberen andere atomen zoals fosfor in de grafeenstructuur te introduceren.

"Fosfor heeft potentieel omdat het één extra elektron bevat in vergelijking met koolstof, "Zei Dyck. "Dit zou ideaal zijn voor het bouwen van een kwantumbit, of qubit, dat is de basis voor op kwantum gebaseerde apparaten."

Hun doel is om uiteindelijk een prototype van een apparaat in de STEM te bouwen.

Dyck waarschuwde dat terwijl het bouwen van een qubit van met fosfor gedoteerd grafeen aan de horizon is, hoe het materiaal zich zou gedragen bij omgevingstemperaturen - buiten de STEM of een cryogene omgeving - blijft onbekend.

"We hebben ontdekt dat het blootstellen van het met silicium gedoteerde grafeen aan de buitenwereld de structuren beïnvloedt, " hij zei.

Ze zullen blijven experimenteren met manieren om het materiaal stabiel te houden in niet-laboratoriumomgevingen, wat belangrijk is voor het toekomstige succes van STEM-gebouwde atomair nauwkeurige structuren.

"Door materie op atomaire schaal te beheersen, we gaan de kracht en het mysterie van de kwantumfysica naar apparaten in de echte wereld brengen, ' zei Jesse.