一次一个精确地操纵原子难吗?难,但已实现!

一次一个精确地操纵原子难吗?难,但已实现!

工程的最终控制程度将是在最基本层次上创造和操纵材料的能力,精确控制一个原子一个原子地制造设备。现在,麻省理工学院(MIT)、维也纳大学(University of Vienna)和其他几家机构的科学家已经朝这个方向迈出了一步,他们开发了一种方法,可以用高度聚焦的电子束重新定位原子,并控制它们的确切位置和成键方向。这一发现可能最终促使制造量子计算设备或传感器的新方法,并开启一个“原子工程”的新时代。

麻省理工学院核科学与工程教授李巨立、研究生聪苏、维也纳大学汤玛苏西教授以及麻省理工学院、维也纳大学、橡树岭国家实验室以及中国、厄瓜多尔和丹麦的其他13位科学家在《科学进展》期刊上发表了一篇论文,介绍了这一进展。使用纳米技术的很多工具,在这项新的研究中,这些工具被用来控制那些比原来小一个数量级的过程。目标是控制一到几百个原子,控制它们的位置,控制它们的电荷态,控制它们的电子和核自旋态。

虽然之前也有人操纵过单个原子的位置,甚至在表面上创造出一个整齐的原子圈,但这个过程涉及到在扫描隧道显微镜针尖上拾起单个原子,然后把它们放回原位,这是一个相对缓慢的机械过程。这种新工艺利用扫描透射电子显微镜(STEM)中的相对论电子束操纵原子,因此它可以完全由磁透镜进行电子控制,不需要机械运动部件。这使得该过程潜在地更快,因此可能导致实际应用。利用电子控制和人工智能,最终可以在微秒级的时间尺度上操纵原子。这比我们现在用机械探测器操纵它们的速度快了好几个数量级。

石墨烯中相互竞争实验P掺杂动力学及其控制的说明,该框架为中角环形暗场图像,通过电子能量损失谱(EELS)确定了各掺杂剂的化学性质。图片:Science Advances

而且,在同一块材料上同时工作多个电子束应该是可能的,这是一个令人兴奋的原子操作新范例。计算机芯片通常是由硅晶体与其他原子“掺杂”而成,这些原子需要赋予特定的电性能,从而在材料区域产生“缺陷”,无法保持硅晶体结构的完美有序。但这个过程是分散的,所以没有办法以原子精度控制掺杂原子的去向,新系统能精确定位。同样的电子束可以用来把一个原子从一个位置撞到另一个位置,然后“读取”新的位置,以验证原子最终到达了它应该到达的位置。虽然定位基本上是由概率决定,并不是100%准确,但确定实际位置的能力使我们能够只选择那些最终配置正确的位置。

原子足球

非常窄聚焦的电子束,大约一个原子那么宽,能量会把一个原子撞出它的位置,通过选择电子束的精确角度,研究人员可以确定它最有可能在哪里结束。用光束击穿原子,本质上是踢原子足球。就像足球一样,它不是决定性的,但你可以控制概率。就像足球一样,你总是在朝着目标前进。在团队的实验中,主要使用磷原子,一种常用的掺杂剂,在石墨烯片上,这是一种二维的碳原子片,呈蜂窝状排列。

abMD计算石墨烯中P掺杂动力学机理,图片:Science Advances

磷原子最终取代了部分碳原子,从而改变了材料的电子、光学和其他性质,如果这些原子的位置已知,这些性质是可以预测的。最终目标是以复杂的方式移动多个原子,利用电子束基本移动这些掺杂物,这样我们就可以制造一个金字塔,或者一些缺陷复合体,在那里我们可以精确地指出每个原子的位置。这是首次在石墨烯中操纵电子上不同的掺杂原子,虽然我们以前研究过硅杂质。

但磷的电性和磁性可能更有趣,但正如我们现在发现的,磷的行为方式也惊人地不同。每个元素都可能带来新的惊喜和可能性。该系统要求精确控制光束的角度和能量,有时候,如果不小心,就会产生意想不到的结果。例如,有时候一个碳原子想要保持在“叶子”的位置,有时候磷原子被锁定在晶格的位置,然后不管我们怎么改变光束的角度,都不能影响它的位置,所以必须找到另一个球。

理论框架

除了对光束和石墨烯不同角度和位置的效应进行详细实验测试和观察外,研究小组还设计了一个理论基础来预测这种效应,即跟踪“足球”动量的初级连锁空间形式。做这些实验,也为如何控制这一过程提供了一个理论框架。初始光束产生的级联效应发生在多个时间尺度上,这使得观测和分析难以进行。相对论性电子(以光速的45%左右运动)与原子的实际初始碰撞以秒为单位(十亿分之一秒的万亿分之一)发生。

不同杂质元素动力学比较。图片:Science Advances

但晶格中原子的运动和碰撞在皮秒或更长的时间尺度上展开,时间要长数十亿倍。掺杂原子如磷具有非零的核自旋,这是量子器件所需要的一个关键特性,因为自旋状态很容易受到环境元素如磁场的影响。因此,精确定位这些原子的能力,无论是位置还是键合,都可能是发展量子信息处理或传感设备的关键一步。

参考期刊《Science Advances》DOI: 10.3389/feart.2019.00091博科园|科学、科技、科研、科普