Forskere går videre med elektronmikroskopi for at bygge kvantematerialer atom for atom

En ny teknik, der skubber enkeltatomer til at skifte steder i et atomtyndt materiale, kan bringe forskere endnu et skridt tættere på at realisere teoretisk fysiker Richard Feynmans vision om at bygge små maskiner fra atomet op.

Et betydeligt skub til at udvikle materialer, der udnytter atomernes kvantetype, driver behovet for metoder til at bygge atompræcis elektronik og sensorer. Fremstilling af nanoskalaenheder atom for atom kræver delikatesse og præcision, som er blevet demonstreret af et mikroskopiteam ved Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory.

De brugte et scannende transmissionselektronmikroskop, eller STEM, på laboratoriets Center for Nanophase Materials Sciences for at indføre siliciumatomer i et enkelt atom-tykt ark grafen. Da elektronstrålen scanner hen over materialet, dens energi forstyrrer let grafens molekylstruktur og skaber plads til et siliciumatom i nærheden for at skifte steder med et carbonatom.

"Vi observerede en elektronstråleassisteret kemisk reaktion induceret ved et enkelt atom og kemisk bindingsniveau, og hvert trin er blevet fanget af mikroskopet, hvilket er sjældent, "sagde ORNL's Ondrej Dyck, medforfatter af en undersøgelse offentliggjort i tidsskriftet Lille der beskriver STEM -demonstrationen.

Ved hjælp af denne proces, forskerne var yderligere i stand til at bringe to, tre og fire siliciumatomer sammen for at bygge klynger og få dem til at rotere inden i grafenlaget. Graphene er en todimensionel, eller 2-D, lag af carbonatomer, der udviser en hidtil uset styrke og høj elektrisk ledningsevne. Dyck sagde, at han valgte grafen til dette arbejde, fordi "den er robust mod en 60 kilovolt elektronstråle."

"Vi kan se på grafen i lange perioder uden at skade prøven, sammenlignet med andre 2-D-materialer, såsom overgangsmetal-dichalcogenid-monolag, som har en tendens til lettere at falde fra hinanden under elektronstrålen, " han tilføjede.

STEM er fremkommet i de senere år som et levedygtigt værktøj til manipulation af atomer i materialer og samtidig bevare prøvens stabilitet.

Dyck og ORNL -kolleger Sergei Kalinin, Albina Borisevich og Stephen Jesse er blandt få forskere, der lærer at kontrollere bevægelsen af ​​enkeltatomer i 2-D-materialer ved hjælp af STEM. Deres arbejde understøtter et ORNL-ledet initiativ opfundet The Atomic Forge, som tilskynder mikroskopisamfundet til at genopfatte STEM som en metode til at bygge materialer fra bunden.

Områderne nanovidenskab og nanoteknologi har oplevet eksplosiv vækst i de seneste år. Et af de tidligere trin i retning af Feynmans idé om at bygge små maskiner atom for atom-en opfølgning fra hans originale teori om atommanipulation, der først blev præsenteret under hans berømte foredrag i 1959-blev udsået af IBM-kollega Donald Eiglers arbejde. Han havde vist manipulation af atomer ved hjælp af et scanningstunnelmikroskop.

"I årtier, Eiglers metode var den eneste teknologi til at manipulere atomer en efter en. Nu, vi har demonstreret en anden tilgang med en elektronstråle i STEM, "sagde Kalinin, direktør for ORNL Institute for Functional Imaging of Materials. Han og Jesse startede forskning med elektronstrålen for cirka fire år siden.

At flytte atomer i STEM med succes kunne være et afgørende skridt i retning af at fremstille kvanteenheder ét atom ad gangen. Forskerne vil derefter prøve at indføre andre atomer som fosfor i grafenstrukturen.

"Fosfor har potentiale, fordi det indeholder en ekstra elektron i forhold til kulstof, "Dyck sagde." Dette ville være ideelt til at bygge en kvantebit, eller qubit, som er grundlaget for kvantebaserede enheder. "

Deres mål er i sidste ende at bygge en enhedsprototype i STEM.

Dyck advarede om, at mens man bygger en qubit fra fosfor-dopet grafen er i horisonten, hvordan materialet ville opføre sig ved omgivelsestemperaturer - uden for STEM eller et kryogent miljø - er stadig ukendt.

"Vi har fundet ud af, at udsættelse af siliciumdopet grafen for omverdenen påvirker strukturerne, " han sagde.

De vil fortsætte med at eksperimentere med måder at holde materialet stabilt i ikke-laboratoriemiljøer, hvilket er vigtigt for den fremtidige succes med STEM-bygget atomisk præcise strukturer.

"Ved at kontrollere materie i atomskala, vi kommer til at bringe kraften og mysteriet i kvantefysikken til virkelige enheder, "Sagde Jesse.