Manipulerer atomer et ad gangen med en elektronstråle

Den ultimative grad af kontrol for ingeniørarbejde ville være evnen til at skabe og manipulere materialer på det mest basale niveau, fremstilling af enheder atom for atom med præcis kontrol.

Nu, forskere ved MIT, universitetet i Wien, og flere andre institutioner har taget et skridt i den retning, udvikle en metode, der kan repositionere atomer med en stærkt fokuseret elektronstråle og kontrollere deres nøjagtige placering og bindingsorientering. Fundet kan i sidste ende føre til nye måder at fremstille kvantecomputere eller sensorer på, og indvarsle en ny tidsalder af "atomteknik, " de siger.

Fremrykningen er beskrevet i dag i journalen Videnskabens fremskridt , i et papir af MIT professor i nuklear videnskab og teknik Ju Li, kandidatstuderende Cong Su, Professor Toma Susi fra universitetet i Wien, og 13 andre på MIT, universitetet i Wien, Oak Ridge National Laboratory, og i Kina, Ecuador, og Danmark.

"Vi bruger mange af nanoteknologiens værktøjer, " forklarer Li, som har en fælles ansættelse i materialevidenskab og teknik. Men i den nye forskning, disse værktøjer bliver brugt til at styre processer, der endnu er en størrelsesorden mindre. "Målet er at kontrollere et til et par hundrede atomer, at kontrollere deres positioner, kontrollere deres ladetilstand, og kontrollere deres elektroniske og nukleare spintilstande, " han siger.

Mens andre tidligere har manipuleret individuelle atomers positioner, selv at skabe en pæn cirkel af atomer på en overflade, denne proces involverede at opsamle individuelle atomer på den nålelignende spids af et scanningstunnelmikroskop og derefter tabe dem på plads, en forholdsvis langsom mekanisk proces. Den nye proces manipulerer atomer ved hjælp af en relativistisk elektronstråle i et scanning transmission elektronmikroskop (STEM), så den kan styres fuldt elektronisk af magnetiske linser og kræver ingen mekaniske bevægelige dele. Det gør processen potentielt meget hurtigere, og dermed kunne føre til praktiske anvendelser.

Brug af elektroniske kontroller og kunstig intelligens, "Vi tror, ​​at vi i sidste ende kan manipulere atomer på mikrosekunders tidsskalaer, " siger Li. "Det er mange størrelsesordener hurtigere, end vi kan manipulere dem nu med mekaniske sonder. Også, det burde være muligt at have mange elektronstråler, der arbejder samtidigt på det samme stykke materiale."

"Dette er et spændende nyt paradigme for atommanipulation, " siger Susi.

Computerchips fremstilles typisk ved at "doping" en siliciumkrystal med andre atomer, der er nødvendige for at give specifikke elektriske egenskaber, derved skabes "defekter" i materialet - områder, der ikke bevarer den perfekt ordnede krystallinske struktur af silicium. Men den proces er spredt, Li forklarer, så der er ingen måde at kontrollere med atomær præcision, hvor disse dopingatomer går hen. Det nye system giver mulighed for nøjagtig positionering, han siger.

Den samme elektronstråle kan bruges til at slå et atom både ud af en position og ind i en anden, og derefter "læse" den nye position for at bekræfte, at atomet endte, hvor det var meningen, siger Li. Mens positioneringen i det væsentlige er bestemt af sandsynligheder og ikke er 100 procent nøjagtig, muligheden for at bestemme den faktiske position gør det muligt kun at udvælge dem, der endte i den rigtige konfiguration.

Atomisk fodbold

Kraften af ​​den meget snævert fokuserede elektronstråle, omtrent lige så bred som et atom, slår et atom ud af sin position, og ved at vælge den nøjagtige vinkel på strålen, forskerne kan afgøre, hvor det er mest sandsynligt, at det ender. "Vi vil bruge strålen til at slå atomer ud og i det væsentlige til at spille atomfodbold, "drible atomerne hen over grafenfeltet til deres tilsigtede "mål" position, han siger.

"Som fodbold, det er ikke deterministisk, men du kan kontrollere sandsynligheden, " siger han. "Som fodbold, du forsøger altid at bevæge dig mod målet."

I holdets eksperimenter, de brugte primært phosphoratomer, et almindeligt anvendt dopingmiddel, i et ark grafen, et todimensionelt ark af kulstofatomer arrangeret i et bikagemønster. Fosforatomerne ender med at erstatte kulstofatomer i dele af det mønster, dermed ændre materialets elektroniske, optisk, og andre egenskaber på måder, der kan forudsiges, hvis positionerne af disse atomer er kendt.

Ultimativt, målet er at flytte flere atomer på komplekse måder. "Vi håber at bruge elektronstrålen til grundlæggende at flytte disse dopanter, så vi kunne lave en pyramide, eller et eller andet defektkompleks, hvor vi kan angive præcist, hvor hvert atom sidder, " siger Li.

Dette er første gang elektronisk adskilte dopingatomer er blevet manipuleret i grafen. "Selvom vi har arbejdet med siliciumurenheder før, fosfor er både potentielt mere interessant for dets elektriske og magnetiske egenskaber, men som vi nu har opdaget, opfører sig også på overraskende forskellige måder. Hvert element kan rumme nye overraskelser og muligheder, " tilføjer Susi.

Systemet kræver præcis kontrol af strålevinklen og energien. "Nogle gange har vi uønskede resultater, hvis vi ikke er forsigtige, " siger han. F.eks. nogle gange forlader et kulstofatom, der var beregnet til at forblive i position, "bare, "og nogle gange bliver fosforatomet låst i position i gitteret, og "så uanset hvordan vi ændrer strålevinklen, vi kan ikke påvirke dens position. Vi skal finde en anden bold."

Teoretisk ramme

Ud over detaljeret eksperimentel testning og observation af virkningerne af forskellige vinkler og positioner af bjælkerne og grafen, holdet udtænkte også et teoretisk grundlag for at forudsige effekterne, kaldet primær knock-on rumformalisme, der sporer "fodboldens" momentum. "Vi lavede disse eksperimenter og gav også en teoretisk ramme om, hvordan man kontrollerer denne proces, " siger Li.

Kaskaden af ​​effekter, der resulterer fra den indledende stråle, finder sted over flere tidsskalaer, Li siger, hvilket gjorde observationerne og analysen vanskelig at udføre. Den faktiske indledende kollision af den relativistiske elektron (bevæger sig med omkring 45 procent af lysets hastighed) med et atom finder sted på en skala af zeptosekunder - trilliontedele af en milliardtedel af et sekund - men den resulterende bevægelse og kollisioner af atomer i gitteret udfolder sig over tidsskalaer på picosekunder eller længere - milliarder af gange længere.

Doperende atomer såsom fosfor har et nukleart spin, som ikke er nul, hvilket er en nøgleegenskab, der er nødvendig for kvantebaserede enheder, fordi den spin-tilstand let påvirkes af elementer i dets miljø, såsom magnetiske felter. Så evnen til at placere disse atomer præcist, med hensyn til både position og binding, kunne være et vigtigt skridt i retning af udvikling af kvanteinformationsbehandling eller -sensorenheder, siger Li.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.