È noto che Richard Feynman ha posto la domanda nel 1959:è possibile vedere e manipolare singoli atomi nei materiali? Per un po' la sua visione sembrò più fantascienza che scienza, ma a partire dagli esperimenti pionieristici alla fine degli anni '80 e dai più recenti sviluppi nella strumentazione di microscopia elettronica è diventata una realtà scientifica. Però, il danno causato dal fascio di elettroni è spesso un problema in tali esperimenti.

Il presente studio si è concentrato sul grafene a strato singolo con atomi di silicio incorporati nel reticolo, precedentemente creato e studiato dai collaboratori di Manchester e Daresbury nel Regno Unito. A causa delle maggiori dimensioni del silicio rispetto al carbonio, questi atomi droganti sporgono dal piano, il che rende interessante la dinamica sotto il fascio di elettroni. Le simulazioni dettagliate eseguite presso l'Università di Vienna hanno mostrato che gli elettroni da 60 kiloelettronvolt che i microscopi Nion all'avanguardia di entrambi i gruppi utilizzano per l'imaging della struttura non sono abbastanza energetici da causare probabilmente l'espulsione totale degli atomi, in linea con quanto osservato.

In modo cruciale, però, gli atomi di carbonio accanto a un drogante di silicio sono leggermente meno fortemente legati, e possono ricevere un calcio quanto basta per sfuggire quasi dal reticolo, ma vengono ricatturati a causa di un'interazione attrattiva con l'atomo di silicio. Nel frattempo, il silicio si rilassa nella posizione reticolare lasciata vuota dall'atomo di carbonio impattato, che torna così nel reticolo dalla parte opposta rispetto a dove è partito. In effetti, il legame silicio-carbonio è invertito, che è stato visto direttamente dai team di microscopia. L'analisi dei dati sperimentali di quasi 40 di questi salti ha fornito una probabilità che potrebbe essere direttamente confrontata con le simulazioni, con notevole accordo.

Oltre ad essere bella fisica, i risultati aprono possibilità promettenti per l'ingegneria su scala atomica:"Ciò che rende i nostri risultati davvero intriganti è che il capovolgimento del legame è direzionale:il silicio si muove per prendere il posto dell'atomo di carbonio che è stato colpito da un elettrone della sonda", spiega l'autore principale Toma Susi, fisico e FWF Lise Meitner Fellow presso l'Università di Vienna. "Ciò significa che dovrebbe essere possibile controllare il movimento di uno o più atomi di silicio nel reticolo con precisione atomica. Quindi forse vedremo un nuovo tipo di recinto quantistico o un logo universitario fatto di atomi di silicio nel grafene nel prossimo futuro", conclude.