Una nuova tecnica che spinge i singoli atomi a cambiare posto all'interno di un materiale atomicamente sottile potrebbe portare gli scienziati un altro passo avanti verso la realizzazione della visione del fisico teorico Richard Feynman di costruire minuscole macchine dall'atomo in su.

Una spinta significativa allo sviluppo di materiali che sfruttino la natura quantistica degli atomi sta determinando la necessità di metodi per costruire componenti elettronici e sensori atomicamente precisi. Fabbricare dispositivi su scala nanometrica atomo per atomo richiede delicatezza e precisione, che è stato dimostrato da un team di microscopia presso l'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell'Energia.

Hanno usato un microscopio elettronico a scansione a trasmissione, o STEM, presso il Center for Nanophase Materials Sciences del laboratorio per introdurre atomi di silicio in un foglio di grafene dello spessore di un singolo atomo. Quando il fascio di elettroni scansiona il materiale, la sua energia interrompe leggermente la struttura molecolare del grafene e crea spazio per un atomo di silicio vicino per scambiare i posti con un atomo di carbonio.

"Abbiamo osservato una reazione chimica assistita da fascio di elettroni indotta a livello di un singolo atomo e legame chimico, e ogni passo è stato catturato dal microscopio, che è raro, " ha detto Ondrej Dyck di ORNL, coautore di uno studio pubblicato sulla rivista Piccolo che dettaglia la dimostrazione STEM.

Utilizzando questo processo, gli scienziati sono stati inoltre in grado di portare due, tre e quattro atomi di silicio insieme per costruire cluster e farli ruotare all'interno dello strato di grafene. Il grafene è un bidimensionale, o 2-D, strato di atomi di carbonio che mostra una forza senza precedenti e un'elevata conduttività elettrica. Dyck ha detto di aver selezionato il grafene per questo lavoro, perché "è robusto contro un fascio di elettroni di 60 kilovolt".

"Possiamo guardare il grafene per lunghi periodi di tempo senza danneggiare il campione, rispetto ad altri materiali 2-D come monostrati di dicalcogenuro di metalli di transizione, che tendono a sfaldarsi più facilmente sotto il fascio di elettroni, " Ha aggiunto.

STEM è emerso negli ultimi anni come uno strumento praticabile per manipolare gli atomi nei materiali preservando la stabilità del campione.

I colleghi Dyck e ORNL Sergei Kalinin, Albina Borisevich e Stephen Jesse sono tra i pochi scienziati che stanno imparando a controllare il movimento di singoli atomi in materiali 2-D usando lo STEM. Il loro lavoro supporta un'iniziativa guidata dall'ORNL coniata The Atomic Forge, che incoraggia la comunità di microscopia a reinventare lo STEM come metodo per costruire materiali da zero.

I campi della nanoscienza e della nanotecnologia hanno registrato una crescita esplosiva negli ultimi anni. Uno dei primi passi verso l'idea di Feynman di costruire minuscole macchine atomo per atomo - un seguito della sua teoria originale della manipolazione atomica presentata per la prima volta durante la sua famosa conferenza del 1959 - è stato seminato dal lavoro del collega IBM Donald Eigler. Aveva mostrato la manipolazione degli atomi usando un microscopio a effetto tunnel.

"Per decenni, Il metodo di Eigler era l'unica tecnologia per manipolare gli atomi uno per uno. Ora, abbiamo dimostrato un secondo approccio con un fascio di elettroni nello STEM, " disse Kalinin, direttore dell'ORNL Institute for Functional Imaging of Materials. Lui e Jesse hanno iniziato la ricerca con il fascio di elettroni circa quattro anni fa.

Spostare con successo gli atomi nello STEM potrebbe essere un passo cruciale verso la fabbricazione di dispositivi quantistici un atomo alla volta. Gli scienziati proveranno poi a introdurre altri atomi come il fosforo nella struttura del grafene.

"Il fosforo ha potenziale perché contiene un elettrone in più rispetto al carbonio, " disse Dyck. "Questo sarebbe l'ideale per costruire un bit quantico, o qubit, che è la base per i dispositivi basati sui quanti".

Il loro obiettivo è alla fine costruire un prototipo di dispositivo nello STEM.

Dyck ha avvertito che mentre si costruisce un qubit dal grafene drogato con fosforo è all'orizzonte, come si comporterebbe il materiale a temperatura ambiente, al di fuori dello STEM o di un ambiente criogenico, rimane sconosciuto.

"Abbiamo scoperto che l'esposizione del grafene drogato al silicio al mondo esterno ha un impatto sulle strutture, " Egli ha detto.

Continueranno a sperimentare modi per mantenere stabile il materiale in ambienti non di laboratorio, che è importante per il futuro successo delle strutture atomicamente precise costruite da STEM.

"Controllando la materia su scala atomica, porteremo la potenza e il mistero della fisica quantistica ai dispositivi del mondo reale, " disse Jesse.