Modellering afdækker en atomvals til atommanipulation

Forskere ved Universitetet i Wiens Fysiske Fakultet i samarbejde med kolleger fra Oak Ridge National Laboratory i USA har afsløret en ikke-destruktiv mekanisme til at manipulere donorurenheder i silicium ved hjælp af fokuseret elektronbestråling. I denne hidtil ukendte indirekte udvekslingsproces er ikke én, men to tilstødende siliciumatomer involveret i en koordineret atomart "vals, " hvilket kan åbne en vej for fremstilling af solid-state qubits. Resultaterne er blevet offentliggjort i Journal of Physical Chemistry .

Tekniske materialer på atomær skala er et ultimativt mål for nanoteknologi. Velkendte eksempler på atommanipulation med scanning tunneling mikroskopi spænder fra konstruktionen af ​​kvantekoraller til omskrivbare atomare hukommelser. Imidlertid, mens etablerede scanningssondeteknikker er egnede værktøjer til manipulation af overfladeatomer, de kan ikke nå hovedparten af ​​materialet på grund af deres behov for at bringe en fysisk spids i kontakt med prøven og kræver normalt drift og opbevaring ved kryogene temperaturer.

Nylige fremskridt inden for scanning transmission elektronmikroskopi (STEM) har øget interessen for at bruge en elektronstråle til atommanipulation, og Wien har vist sig som et af de førende knudepunkter for denne forskning på verdensplan. "Den unikke styrke ved denne teknik er dens evne til ikke kun at få adgang til overfladeatomer, men også urenheder i tynde bulkkrystaller. Dette er ikke kun en teoretisk mulighed:Den første proof-of-principle-manipulation af bismuth-doteringer i silicium blev for nylig demonstreret af vores amerikanske samarbejdspartnere, " forklarer Toma Susi.

Det nye fælles arbejde er et systematisk modelleringsstudie om elektronstrålemanipulation af gruppe V-doteringselementer i silicium. Afgørende, Wien-holdet afslørede en ny slags mekanisme, de kalder indirekte udveksling, hvor ikke ét, men to tilstødende siliciumatomer er involveret i en koordineret atomart "vals, " som forklarer, hvordan elektronpåvirkninger kan flytte disse urenheder inden for hovedparten af ​​siliciumgitteret. "Mens denne mekanisme kun virker for de to tungere donorelementer, vismut og antimon, det var afgørende at finde ud af, at det er ikke-destruktivt, da ingen atomer skal fjernes fra gitteret, " tilføjer Alexander Markevich.

Som et yderligere eksperimentelt fremskridt, holdet var for første gang i stand til at demonstrere muligheden for at manipulere antimonurenheder i silicium ved hjælp af STEM. Den præcise placering af dopingatomer i krystalgitre kunne muliggøre nye applikationer inden for områder, herunder solid-state sensing og kvanteberegning. Dette kan have spændende konsekvenser, som Susi konkluderer:"For nylig, antimon-dopanter i silicium blev foreslået som lovende kandidater til solid-state nukleare spin-qubits, og vores arbejde kan åbne en vej for deres deterministiske fremstilling."