Конечная степень контроля для машиностроения будет возможность создавать и управлять материалами на самом базовом уровне, изготовляя приборы атом за атомом с точным контролем.
Теперь, ученые из Массачусетского технологического института, Университета Вены, и ряд других учреждений сделали шаг в этом направлении, развивая метод, который может перемещать атомы с сильно сфокусированный пучок электронов и контролировать их точное местоположение и ориентация склеивания. Это открытие может в конечном итоге привести к созданию новых способов создания квантовых вычислительных устройств или датчиков, и вступить в Новый век “атомной энергетики”, — говорят они.
Заранее описанный сегодня в журнале Science авансы, в работе профессора Массачусетского технологического института ядерной науки и техники Чжу Ли, аспирант Цун Су, профессор Тома Суси Венского университета, и 13 другим Массачусетского технологического института, Университета Вены, оукриджской Национальной лаборатории, и в Китае, Эквадоре и Дании.
“Мы используем много инструментов нанотехнологий”, — объясняет Ли, который держит совместное назначение в материаловедении и инженерии. Но в новом исследовании, эти инструменты используются для контроля процессов, которые еще на порядок меньше. “Цель состоит в том, чтобы контролировать от одного до нескольких сотен атомов, чтобы контролировать свои позиции, контролировать их зарядового состояния и контроля их электронной и ядерной спиновых”, — говорит он.
В то время как другие уже манипулируют позиции отдельных атомов, даже создавая четкий круг атомов на поверхности, этот процесс включает в себя собирание отдельных атомов на игольчатые иглы сканирующего туннельного микроскопа, а затем опуская их в положение, относительно медленный механический процесс. Новый процесс управляет атомами с помощью пучка релятивистских электронов в передающей сканирующей электронной микроскопии (СТЭМ), поэтому он может быть полностью электронным управлением магнитной линзы и не требует никаких механических движущихся частей. Что делает процесс потенциально гораздо быстрее, и, следовательно, может привести к практическому применению.
Используя электронные системы управления и искусственного интеллекта, “мы думаем, что в конечном итоге может манипулировать атомами на микросекунду сроки”, говорит Ли. “Это на много порядков быстрее, чем мы можем манипулировать их сейчас при использовании механических щупов. Кроме того, оно должно быть возможным, чтобы иметь много Пучков, работая одновременно на одного и того же материала”.
“Это захватывающая новая парадигма для манипуляции атом”, — говорит Суси.
Компьютерные чипы, как правило, сделаны под “допингом” кристалле кремния с другими атомами необходимых для обеспечения специфические электрические свойства, тем самым создавая “дефектов в материале — регионы, которые не сохраняют идеально упорядоченной кристаллической структуре кремния. Но этот процесс неорганизованный, Ли объясняет, так что нет никакого способа борьбы с атомной точностью, где эти атомы легирующей примеси уходят. Новая система позволяет для точное позиционирование, — говорит он.
Тот же электронный пучок может быть использован для выбивания атома из одного положения в другое, а затем “читает” новую позицию, чтобы убедиться в том, что атом оказался там, где он был призван, — говорит Ли. В то время как позиционирование-это, по существу, определяется вероятность и не 100% точность, возможность определения фактического положения позволяет выбрать только те, что попали в правильную конфигурацию.
Атомная футбол
Власть очень узко сфокусированный пучок электронов, примерно так же широко, как атом, выбивает из атома от его положения, и, выбрав точный угол пучка, исследователи могут определить, где он, скорее всего, в конечном итоге. “Мы хотим использовать луч, чтобы выбить из атомов и по сути играть в футбол,” дриблинг атомов через поле графена, чтобы их предполагаемой “цели” позиции, говорит он.
“Любите футбол, это не детерминированный, но вы можете управлять вероятностями”, — говорит он. “Как в футболе, ты всегда пытаешься двигаться к цели.”
В экспериментах команды, они в первую очередь используются атомы фосфора, часто используемой легирующей примеси, в листе графена-двумерный лист атомов углерода, расположенных в гексагональной схеме. Атомы фосфора в конечном итоге, замещающими атомы углерода в детали этой схемы, таким образом, изменяя материал электронных, оптических и других свойств, которые могут быть предсказаны, если позиции этих атомов известны.
В конечном счете, цель состоит в том, чтобы переместить несколько атомов в сложных отношениях. “Мы надеемся использовать пучок электронов, в общем-то этих примесей, так что мы могли бы сделать пирамиду, или какой-то дефект комплексе, где мы можем точно государство, в котором каждый атом сидит”, говорит Ли.
Это первый раз в электронном виде отдельных атомов легирующей примеси были подтасованы в графене. “Хотя мы работали с силиконовой примеси ранее, фосфор является потенциально более интересные на его электрические и магнитные свойства, но, как мы обнаружили сейчас, и ведет себя удивительно по-разному. Каждый элемент может содержать новые сюрпризы и возможности,” Суси добавляет.
Система требует точное управление угла пучка и энергии. “Иногда у нас есть нежелательные результаты, если мы не будем осторожны”, — говорит он. Например, иногда атом углерода, который был предназначен для отдыха в положении “просто листья”, — и иногда атома фосфора блокируется в положении в решетке, и “тогда независимо от того, как мы изменить угол наклона луча, мы не можем повлиять на ее позицию. Мы должны найти еще один мяч”.
Теоретические основы
В дополнение к детальной экспериментальной проверки и наблюдения влияния различных углов и позиций балки и графена, команда также разработали теоретические основы для прогнозирования последствий, называются первичными стук-на место формализм, который отслеживает динамику “футбольный мяч”. “Мы провели эти эксперименты, а также дал теоретическую основу о том, как контролировать этот процесс”, — говорит Ли.
Каскад эффектов, которые возникает из первоначального пучка проходит в течение нескольких временных масштабах, — говорит Ли, который сделал наблюдения и анализ сложно провести. Самого первого столкновения релятивистских электронов (движущихся около 45 процентов от скорости света) с атомом происходит по шкале от zeptoseconds — триллионную миллиардной доли секунды — но в результате движения и столкновения атомов в решетке разворачивается во временных масштабах пикосекунд или больше — в миллиарды раз больше.
Атомы легирующих примесей, таких как фосфор, имеют ненулевой ядерный спин, который является ключевым свойством, необходимым для квантовых устройств, потому что спиновое состояние в значительной степени зависит от элементов окружающей среды, таких как магнитные поля. Поэтому возможность разместить эти атомы точно, в плане установки и крепления, может быть важным шагом на пути развития квантовой обработки информации и устройств зондирования, — говорит Ли.
“Это важный шаг вперед в области”, — говорит Алекс Зеттл, профессор физики Калифорнийского университета в Беркли, который не был вовлечен в это исследование. “Атомы примесей и дефектов в кристаллической решетке находятся в центре электронной промышленности. Как твердотельные устройства становятся все меньше, вплоть до размера нанометра, она становится все более важным, чтобы знать точно, где находится один примесного атома или дефекта, и каковы его атомных сред. Чрезвычайно сложная задача имеет масштабируемый способ контролируемо управлять или место отдельные атомы в нужные места, а также точно предсказать, какой эффект это размещение на производительность устройства.”
Говорит зеттл, что эти исследователи “сделали значительный шаг вперед к этой цели. Они используют умеренной энергией сфокусированный пучок электронов, чтобы уговорить желательно перегруппировки атомов, и наблюдать в реальном времени, на атомном уровне, что они делают. Элегантный теоретический трактат, с впечатляющей предсказательной силой, дополняет эксперименты”.
К тому же лидирующая команда Массачусетского технологического института, международного сотрудничества вошли исследователи из Университета Вены, Университета Китайской академии наук, Университета Орхуса в Дании, Национальная политехническая школа в Эквадор, Национальная лаборатория Оук-Ридж, и Сычуаньского университета в Китае. Работа была поддержана Национальным научным фондом США Армия исследовательского бюро и Массачусетский Технологический Институт нанотехнологий для солдат, австрийского научного фонда, Европейского исследовательского совета, Датский совет по независимым исследованиям Китайской академии наук и Министерства энергетики США.
