Autonom atomsamling af nanostrukturer ved hjælp af et scanning tunneling mikroskop

Automatisk samling af individuelle koboltatomer på en atomisk flad kobberoverflade til simple geometriske former, en firkant, en trekant, og en cirkel. Fra venstre mod højre, hver figur viser konfigurationen efter hver atombevægelse. Billedstørrelse 15 nm × 15 nm. Center:Perfekt samling af NIST-logoet efter fire trin med automatiseret samling. Billedstørrelse 40 nm × 17 nm. Alle billeder vises i farvet 3D topvisning med lys skygge med et højdeområde på ≈100 pm.

NIST-forskere har demonstreret den autonome computer-kontrollerede samling af atomer til perfekte nanostrukturer ved hjælp af et lavtemperatur-scanning-tunnelmikroskop. Resultaterne, offentliggjort i en inviteret artikel i Gennemgang af videnskabelige instrumenter , vise konstruktionen uden menneskelig indgriben af kvantebegrænsede todimensionelle nanostrukturer ved hjælp af enkelte atomer eller enkelte molekyler på en kobberoverflade.

Et hovedmål med nanoteknologi er at udvikle såkaldte "bottom up"-teknologier til at arrangere stof efter behag ved at placere atomer præcis, hvor man vil have dem for at bygge nanostrukturer med specifikke egenskaber eller funktion. Forskerne, ledet af Robert Celotta og Joseph Stroscio fra CNST, har demonstreret de første skridt mod at opnå denne evne ved at bruge atommanipulationstilstanden i et scanning tunneling mikroskop (STM) i kombination med autonome bevægelsesalgoritmer.

Holdet, som omfatter Stephen Balakirsky (tidligere i EL og nu hos Georgia Tech), Aaron Fein (PML), Frank Hess (tidligere i CNST), og Gregory Rutter (tidligere i CNST og nu hos Intel), brugte autonome algoritmer til at manipulere enkelte atomer og molekyler, meget ligesom algoritmerne til "håndfri" bilkørsel. Systemet fungerer ved først at scanne placeringen af tilgængelige atomer på overfladen. Det specificerer derefter de ønskede koordinater for atomer i en nanostruktur, og beregner og styrer autonomt banerne for STM-sondespidsen for at flytte alle atomerne til deres ønskede placeringer.

Holdet var i stand til at demonstrere, at det autonomt kunne konstruere koboltatomer til nanostrukturer, der begrænser kvanteegenskaberne af kobberets overfladeelektroner. Det brugte derefter STM til at måle disse egenskaber. Ud over at demonstrere konstruktionen af nanostrukturer lavet af atomer, de demonstrerede, at det var muligt at konstruere gitter i nanoskala lavet af kuliltemolekyler og at skræddersy interagerende kvanteprikker dannet ud fra ledige pladser i kuliltegitrene.

Forskerne mener, at en tilgang baseret på autonom konstruktion af atomer og molekyler ved hjælp af denne teknik kunne være grundlaget for et let tilgængeligt værktøjssæt til at producere skræddersyede kvantetilstande med anvendelser inden for kvanteinformationsbehandling og nanofotonik.

Sidste artikelNanovidenskab giver indsigt i verdens mindste økosystemer

Næste artikelForbedring af energieffektiviteten et atom ad gangen