Forskere flytter et atom inde i en krystal og undersøger dets funktion

Nanoteknologi er en blomstrende videnskab. Dele til f.eks. computere bliver mindre og mere præcise fra minut til minut. En af de mest effektive computere ville være den såkaldte kvantecomputer. Indtil nu, dets eksistens har blot været et koncept, der er baseret på kvantemekanikkens love. Her, evnen til at kontrollere enkelte atomers tilstand er afgørende. For første gang nogensinde, forskere fra Kiel Universitet har formået at flytte enkelte atomer lodret inde i en krystal. Dette er vigtigt for den videre udvikling af nanostrukturer. Samtidigt, fysikerne fandt en metode til at måle en transistorlignende opførsel af enkelte atomer. Disse resultater er for nylig blevet offentliggjort i det videnskabelige magasin Naturkommunikation (Januar, 3., 2014) såvel som i det berømte Fysiske anmeldelsesbreve .

Ved fremstilling af nanostrukturer, forståelsen, analyse og håndtering af materialer giver store udfordringer. Et meget brugt og undersøgt materiale til piezo-, mikro-, og optoelektroniske enheder er zinkoxid (ZnO). Som halvleder er den indbygget i lysdioder (LED) og LCD-skærme. Også, det bruges som nanotråde i elektrisk måleteknologi. Nogle af dets egenskaber - såsom ledningsevnen af ​​det rene materiale - er til dato ikke blevet forstået. Et stort skridt mod at løse dette mysterium blev for nylig taget af Dr. Hao Zheng, Dr. Alexander Weismann og professor Richard Berndt fra Institut for Eksperimentel og Anvendt Fysik ved Kiel Universitet. Mens jeg eksperimenterede på Collaborative Research Center "Magnetoelektriske kompositter – fremtidige biomagnetiske grænseflader, " Zheng analyserede zinkoxid med scanning tunneling microscope (STM). Denne enhed er i stand til at afbilde krystaller på atomskala. Han opdagede cirkulære strukturer i den ellers uregelmæssige overflade. "Vi fandt ud af, at de er et resultat af zinkatomer, der var forkert placeret i krystalgitteret", siger Zheng.

Hvert af de opdagede atomer havde to ringe - et klart bevis på, at det kan donere to elektroner. "Vi studerede al videnskabelig litteratur for at finde ud af, at ingen hidtil havde bevist, hvorfor zinkoxid er ledende. Den logiske konklusion var, at årsagen måtte ligge inden for de nyfundne zinkatomer, som er naturligt forekommende i dette materiale."

Yderligere forskning fik Dr. Zheng til at opdage, at ringens størrelse kunne varieres, mens den blev udsat for eksperimenter i scanningstunnelmikroskopet. Han bad om hjælp fra sin kollega Weismann, som er ekspert i modelberegning. "Beregningen antydede, at ringens diameter afslørede noget om dybden af ​​atomerne under overfladen", siger Weismann. Hermed var det klart, at Zheng havde opdaget en måde at ændre et atoms position med et enkelt atoms bredde. "Dette er første gang et enkelt atom bevæges kontrollerbart i en krystal med atomær præcision", Weismann understreger. "Denne evne vil være nyttig, når man designer nanostrukturer i laboratorier."

Sammen med deres andre resultater, videnskabsmændene fra Kiel University bemærkede en adfærd, der svarede til transistors. Denne komponent, som bruges i computere af millioner, kræver normalt tre kontaktelektroder. Når du arbejder med nanostrukturer såsom atomer, som kun måler 0,3 nanometer, tre elektroder ville uundgåeligt forårsage en kortslutning. "Ved hjælp af STM har vi opdaget en metode, der kun kræver to elektroder, hvoraf den ene er bevægelig." Dette er også et vigtigt skridt for håndteringen af ​​nanostrukturer.