I ricercatori della Facoltà di Fisica dell'Università di Vienna, in collaborazione con i colleghi dell'Oak Ridge National Laboratory negli Stati Uniti, hanno scoperto un meccanismo non distruttivo per manipolare le impurità del donatore all'interno del silicio utilizzando l'irradiazione elettronica focalizzata. In questo nuovo processo di scambio indiretto non uno ma due atomi di silicio vicini sono coinvolti in un "valzer" atomico coordinato. " che potrebbe aprire la strada alla fabbricazione di qubit allo stato solido. I risultati sono stati pubblicati nel Giornale di chimica fisica .

I materiali ingegneristici su scala atomica sono l'obiettivo finale della nanotecnologia. Esempi ben noti di manipolazione dell'atomo con la microscopia a effetto tunnel vanno dalla costruzione di coralli quantistici alle memorie atomiche riscrivibili. Però, mentre le tecniche di sonda di scansione consolidate sono strumenti capaci per la manipolazione degli atomi di superficie, non possono raggiungere la massa del materiale a causa della loro necessità di portare una punta fisica a contatto con il campione e di solito richiedono il funzionamento e la conservazione a temperature criogeniche.

I recenti progressi nella microscopia elettronica a trasmissione a scansione (STEM) hanno suscitato interesse nell'uso di un fascio di elettroni per la manipolazione degli atomi, e Vienna è emersa come uno dei principali centri di questa ricerca in tutto il mondo. "La forza unica di questa tecnica è la sua capacità di accedere non solo agli atomi di superficie ma anche alle impurità all'interno di cristalli sfusi sottili. Questa non è solo una possibilità teorica:la prima manipolazione proof-of-principle di droganti di bismuto nel silicio è stata recentemente dimostrata dal nostro collaboratori statunitensi, "Spiega Toma Susi.

Il nuovo lavoro congiunto è uno studio di modellizzazione sistematica sulla manipolazione del fascio di elettroni di elementi droganti del gruppo V all'interno del silicio. In modo cruciale, il team di Vienna ha scoperto un nuovo tipo di meccanismo che chiamano scambio indiretto, dove non uno ma due atomi di silicio vicini sono coinvolti in un "valzer" atomico coordinato, " che spiega come gli impatti degli elettroni possono spostare queste impurità all'interno della maggior parte del reticolo di silicio. "Mentre questo meccanismo funziona solo per i due elementi donatori più pesanti, bismuto e antimonio, è stato fondamentale scoprire che non è distruttivo, poiché non è necessario rimuovere gli atomi dal reticolo, " aggiunge Alexander Markevich.

Come ulteriore progresso sperimentale, il team è stato per la prima volta in grado di dimostrare la possibilità di manipolare le impurità di antimonio nel silicio utilizzando lo STEM. Il posizionamento preciso degli atomi droganti all'interno dei reticoli cristallini potrebbe consentire nuove applicazioni in aree tra cui il rilevamento dello stato solido e il calcolo quantistico. Questo può avere implicazioni entusiasmanti, come conclude Susi:"Molto recentemente, i droganti di antimonio nel silicio sono stati suggeriti come candidati promettenti per qubit di spin nucleari allo stato solido, e il nostro lavoro potrebbe aprire una strada per la loro fabbricazione deterministica".