Illustrazione delle dinamiche sperimentali del drogante P in competizione nel grafene e nel suo controllo. I frame sono immagini anulari in campo scuro ad angolo medio, e l'identità chimica di ciascun drogante è stata confermata dalla spettroscopia a perdita di energia elettronica (EELS). (A) Tre fotogrammi che mostrano uno scambio diretto tra l'atomo di P più luminoso (a causa del suo maggiore contrasto di dispersione) e un vicino C, con l'iniziale (frame 1), transizione (fotogramma 2), e configurazioni finali (frame 3). Le linee tratteggiate bianche e nere indicano la riga del raggio di scansione quando avviene lo scambio. Velocità di scansione, 8,4 s per fotogramma. Non è stata eseguita alcuna post-elaborazione. (B) Quattro frame che mostrano sia lo scambio diretto (frame 1 e 2) che la transizione SW (frame da 2 a 4). Barre della scala, 2 . Velocità di scansione, 0,07 s per fotogramma. Per chiarezza è stato applicato un filtro mediano con un kernel di 2 pixel × 2 pixel. La transizione SW è stata catturata durante l'acquisizione EELS in piccole finestre di scansione secondaria per migliorare il rapporto segnale-rumore degli spettri utilizzati per identificare i droganti e per ottenere frame di velocità di scansione più rapidi che possono catturare meglio la dinamica atomica. (C) Atomo C vicino eliminato dal fascio di elettroni, trasformando una P triplice coordinata in P quadrupla coordinata. Velocità di scansione, 8 secondi per fotogramma. Non è stata eseguita alcuna post-elaborazione. (D) Il drogante P viene sostituito da un atomo di C. Velocità di scansione, 4 secondi per fotogramma. Le diverse codifiche dei colori dell'immagine rappresentano diverse categorie:il grigio rappresenta il processo di conservazione dell'atomo, e il magenta rappresenta il processo di non conservazione dell'atomo. I cerchi tratteggiati blu e rossi in (A) e (B) rappresentano i siti reticolari non equivalenti del grafene, ei cerchi verdi tratteggiati in (C) e (D) indicano la posizione dell'atomo che non è stato conservato. (E e F) Controllo intenzionale sullo scambio diretto P. Le croci gialle indicano la posizione in cui il fascio di elettroni è stato parcheggiato per 10 s per spostare intenzionalmente l'atomo di P di un sito reticolare. I cerchi tratteggiati verdi e blu indicano i due siti reticolari non equivalenti del grafene. Riquadri:la regione di interesse dopo l'applicazione di un filtro gaussiano. (G) Un diagramma schematico del processo di controllo, dove il fascio di elettroni è rappresentato da un cono verde focalizzato sull'atomo C vicino. Credito: Progressi scientifici (2019). Advances.sciencemag.org/content/5/5/eaav2252
Il massimo grado di controllo per l'ingegneria sarebbe la capacità di creare e manipolare materiali al livello più elementare, fabbricare dispositivi atomo per atomo con un controllo preciso.
Ora, scienziati del MIT, l'Università di Vienna, e diverse altre istituzioni hanno fatto un passo in quella direzione, sviluppando un metodo in grado di riposizionare gli atomi con un fascio di elettroni altamente focalizzato e controllarne la posizione esatta e l'orientamento del legame. La scoperta potrebbe in definitiva portare a nuovi modi di realizzare dispositivi o sensori di calcolo quantistico, e inaugurare una nuova era di "ingegneria atomica, " dicono.
L'anticipo è descritto oggi sul diario Progressi scientifici , in un articolo del professore di scienze e ingegneria nucleare del MIT Ju Li, studente laureato Cong Su, Professor Toma Susi dell'Università di Vienna, e altri 13 al MIT, l'Università di Vienna, Laboratorio nazionale di Oak Ridge, e in Cina, Ecuador, e Danimarca.
"Stiamo usando molti strumenti della nanotecnologia, " spiega Li, che detiene un incarico congiunto in scienza dei materiali e ingegneria. Ma nella nuova ricerca, questi strumenti vengono utilizzati per controllare processi che sono ancora di un ordine di grandezza più piccoli. "L'obiettivo è controllare da uno a poche centinaia di atomi, per controllare le loro posizioni, controllare il loro stato di carica, e controllare i loro stati di spin elettronico e nucleare, " lui dice.
Mentre altri hanno precedentemente manipolato le posizioni dei singoli atomi, persino creando un cerchio ordinato di atomi su una superficie, quel processo prevedeva la raccolta di singoli atomi sulla punta aghiforme di un microscopio a scansione a effetto tunnel e poi il loro rilascio in posizione, un processo meccanico relativamente lento. Il nuovo processo manipola gli atomi utilizzando un fascio di elettroni relativistico in un microscopio elettronico a trasmissione a scansione (STEM), quindi può essere completamente controllato elettronicamente da lenti magnetiche e non richiede parti meccaniche in movimento. Ciò rende il processo potenzialmente molto più veloce, e quindi potrebbe portare ad applicazioni pratiche.
Utilizzando controlli elettronici e intelligenza artificiale, "Pensiamo di poter eventualmente manipolare gli atomi su scale temporali di microsecondi, Li dice. "Sono molti ordini di grandezza più veloci di quanto possiamo manipolarli ora con sonde meccaniche. Anche, dovrebbe essere possibile avere molti fasci di elettroni che lavorano simultaneamente sullo stesso pezzo di materiale."
"Questo è un nuovo ed entusiasmante paradigma per la manipolazione dell'atomo, " dice Susi.
I chip per computer sono tipicamente realizzati "drogando" un cristallo di silicio con altri atomi necessari per conferire proprietà elettriche specifiche, creando così "difetti" nel materiale, regioni che non preservano la struttura cristallina perfettamente ordinata del silicio. Ma quel processo è frammentario, Li spiega, quindi non c'è modo di controllare con precisione atomica dove vanno quegli atomi droganti. Il nuovo sistema consente il posizionamento esatto, lui dice.
Lo stesso fascio di elettroni può essere utilizzato per far cadere un atomo sia da una posizione che da un'altra, e poi "leggere" la nuova posizione per verificare che l'atomo sia finito dove doveva andare, Li dice. Sebbene il posizionamento sia essenzialmente determinato dalle probabilità e non sia accurato al 100%, la capacità di determinare la posizione effettiva consente di selezionare solo quelli che sono finiti nella giusta configurazione.
Calcio atomico
La potenza del fascio di elettroni focalizzato in modo molto ristretto, grande quanto un atomo, fa cadere un atomo dalla sua posizione, e selezionando l'angolo esatto del raggio, i ricercatori possono determinare dove è più probabile che finisca. "Vogliamo usare il raggio per eliminare gli atomi ed essenzialmente per giocare a calcio atomico, " gocciolare gli atomi attraverso il campo di grafene nella posizione "obiettivo" prevista, lui dice.
"Come il calcio, non è deterministico, ma puoi controllare le probabilità, " dice. "Come il calcio, cerchi sempre di muoverti verso l'obiettivo."
Negli esperimenti del team, usavano principalmente atomi di fosforo, un drogante comunemente usato, in un foglio di grafene, un foglio bidimensionale di atomi di carbonio disposti a nido d'ape. Gli atomi di fosforo finiscono per sostituire gli atomi di carbonio in parti di quel modello, alterando così l'elettronica del materiale, ottico, e altre proprietà in modi che possono essere previsti se si conoscono le posizioni di quegli atomi.
In definitiva, l'obiettivo è spostare più atomi in modi complessi. "Speriamo di utilizzare il fascio di elettroni per spostare sostanzialmente questi droganti, così potremmo fare una piramide, o qualche complesso di difetti, dove possiamo affermare con precisione dove si trova ogni atomo, "Li dice.
Questa è la prima volta che atomi droganti distinti elettronicamente vengono manipolati nel grafene. "Anche se abbiamo già lavorato con impurità di silicio, il fosforo è potenzialmente più interessante per le sue proprietà elettriche e magnetiche, ma come ora abbiamo scoperto, si comporta anche in modi sorprendentemente diversi. Ogni elemento può riservare nuove sorprese e possibilità, " aggiunge Susi.
Il sistema richiede un controllo preciso dell'angolo del fascio e dell'energia. "A volte abbiamo risultati indesiderati se non stiamo attenti, " dice. Ad esempio, a volte un atomo di carbonio che doveva rimanere in posizione "lascia solo, " e talvolta l'atomo di fosforo si blocca in posizione nel reticolo, e "quindi non importa come cambiamo l'angolo del fascio, non possiamo influenzare la sua posizione. Dobbiamo trovare un'altra palla".
Framework teorico
Oltre a prove sperimentali dettagliate e all'osservazione degli effetti di diverse angolazioni e posizioni dei fasci e del grafene, il team ha anche ideato una base teorica per prevedere gli effetti, chiamato formalismo spaziale a catena primaria, che segue lo slancio del "pallone da calcio". "Abbiamo fatto questi esperimenti e fornito anche un quadro teorico su come controllare questo processo, "Li dice.
La cascata di effetti che risulta dal fascio iniziale avviene su più scale temporali, Li dice, che ha reso le osservazioni e l'analisi difficili da eseguire. L'effettiva collisione iniziale dell'elettrone relativistico (che si muove a circa il 45 percento della velocità della luce) con un atomo avviene su una scala di zeptosecondi - trilionesimi di miliardesimo di secondo - ma il movimento risultante e le collisioni degli atomi nel reticolo si svolge su scale temporali di picosecondi o più, miliardi di volte più a lungo.
Gli atomi droganti come il fosforo hanno spin nucleare diverso da zero, che è una proprietà chiave necessaria per i dispositivi quantistici perché quello stato di spin è facilmente influenzato da elementi del suo ambiente come i campi magnetici. Quindi la capacità di posizionare questi atomi con precisione, sia in termini di posizione che di legame, potrebbe essere un passo fondamentale verso lo sviluppo di dispositivi di elaborazione o rilevamento delle informazioni quantistiche, Li dice.
Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.
