Ilustración de la dinámica de los dopantes P experimentales en competencia en el grafeno y su control. Los marcos son imágenes anulares de campo oscuro de ángulo medio, y la identidad química de cada dopante se confirmó mediante espectroscopía de pérdida de energía de electrones (EELS). (A) Tres cuadros que muestran un intercambio directo entre el átomo P más brillante (debido a su mayor contraste de dispersión) y un vecino C, con la inicial (fotograma 1), transición (cuadro 2), y configuraciones finales (cuadro 3). Las líneas discontinuas blancas y negras indican la fila del rayo de exploración cuando ocurre el intercambio. Velocidad de escaneo, 8,4 s por fotograma. No se realizó ningún procesamiento posterior. (B) Cuatro cuadros que muestran tanto el intercambio directo (cuadros 1 y 2) como la transición SW (cuadros 2 a 4). Barras de escala, 2 Å. Velocidad de escaneo, 0.07 s por cuadro. Se aplicó un filtro mediano con un núcleo de 2 píxeles × 2 píxeles para mayor claridad. La transición de SW se capturó durante la adquisición de EELS en pequeñas ventanas de subescaneo para mejorar la relación señal / ruido de los espectros utilizados para identificar los dopantes y lograr cuadros de velocidad de escaneo más rápidos que pueden capturar mejor la dinámica atómica. (C) Átomo de C vecino eliminado por el haz de electrones, convertir una P triple coordinada en una P. cuatro veces coordinada Velocidad de escaneo, 8 s por fotograma. No se realizó ningún procesamiento posterior. (D) El dopante P se reemplaza por un átomo de C. Velocidad de escaneo, 4 s por fotograma. Las diferentes codificaciones de color de la imagen representan diferentes categorías:el gris representa el proceso de conservación de átomos, y magenta representa el proceso que no conserva el átomo. Los círculos punteados azules y rojos en (A) y (B) representan los sitios de celosía desiguales del grafeno, y los círculos de puntos verdes en (C) y (D) indican la ubicación del átomo que no se ha conservado. (E y F) Control intencional sobre el intercambio directo P. Las cruces amarillas indican la ubicación donde se detuvo el haz de electrones durante 10 s para mover a propósito el átomo de P en un sitio de red. Los círculos punteados verdes y azules indican los dos sitios de retículas no equivalentes del grafeno. Recuadros:la región de interés después de aplicar un filtro gaussiano. (G) Un diagrama esquemático del proceso de control, donde el haz de electrones está representado por un cono verde enfocado en el átomo de C vecino. Crédito: Avances de la ciencia (2019). Advances.sciencemag.org/content/5/5/eaav2252
El máximo grado de control para la ingeniería sería la capacidad de crear y manipular materiales al nivel más básico, fabricando dispositivos átomo por átomo con control preciso.
Ahora, científicos del MIT, la Universidad de Viena, y varias otras instituciones han dado un paso en esa dirección, desarrollar un método que pueda reposicionar átomos con un haz de electrones altamente enfocado y controlar su ubicación exacta y orientación de enlace. En última instancia, el hallazgo podría conducir a nuevas formas de fabricar dispositivos o sensores de computación cuántica. y marcar el comienzo de una nueva era de "ingeniería atómica, " ellos dicen.
El avance se describe hoy en la revista Avances de la ciencia , en un artículo del profesor de ciencia e ingeniería nuclear del MIT, Ju Li, estudiante de posgrado Cong Su, Profesor Toma Susi de la Universidad de Viena, y otras 13 personas en el MIT, la Universidad de Viena, Laboratorio Nacional Oak Ridge, y en China, Ecuador, y Dinamarca.
"Estamos utilizando muchas de las herramientas de la nanotecnología, "explica Li, quien tiene un cargo conjunto en ciencia e ingeniería de materiales. Pero en la nueva investigación, esas herramientas se están utilizando para controlar procesos que aún son un orden de magnitud más pequeños. "El objetivo es controlar de uno a unos pocos cientos de átomos, para controlar sus posiciones, controlar su estado de carga, y controlar sus estados de giro electrónico y nuclear, " él dice.
Mientras que otros han manipulado previamente las posiciones de los átomos individuales, incluso creando un nítido círculo de átomos en una superficie, ese proceso implicó recoger átomos individuales en la punta en forma de aguja de un microscopio de túnel de barrido y luego colocarlos en su posición, un proceso mecánico relativamente lento. El nuevo proceso manipula átomos utilizando un haz de electrones relativista en un microscopio electrónico de transmisión de barrido (STEM), por lo que se puede controlar completamente electrónicamente mediante lentes magnéticos y no requiere partes mecánicas móviles. Eso hace que el proceso sea potencialmente mucho más rápido, y por lo tanto podría conducir a aplicaciones prácticas.
Utilizando controles electrónicos e inteligencia artificial, "creemos que eventualmente podemos manipular átomos en escalas de tiempo de microsegundos, "Dice Li." Eso es muchos órdenes de magnitud más rápido de lo que podemos manipularlos ahora con sondas mecánicas. También, debería ser posible tener muchos haces de electrones trabajando simultáneamente en la misma pieza de material ".
"Este es un nuevo y emocionante paradigma para la manipulación de átomos, "Dice Susi.
Los chips de computadora se fabrican típicamente "dopando" un cristal de silicio con otros átomos necesarios para conferir propiedades eléctricas específicas. creando así "defectos" en el material, regiones que no conservan la estructura cristalina perfectamente ordenada del silicio. Pero ese proceso es disperso, Li explica, por lo que no hay forma de controlar con precisión atómica a dónde van esos átomos dopantes. El nuevo sistema permite un posicionamiento exacto, él dice.
El mismo haz de electrones se puede utilizar para golpear un átomo tanto de una posición como de otra, y luego "leer" la nueva posición para verificar que el átomo terminó donde estaba destinado, Dice Li. Si bien el posicionamiento está esencialmente determinado por probabilidades y no es 100% exacto, la capacidad de determinar la posición real hace posible seleccionar solo aquellos que terminaron en la configuración correcta.
Fútbol atómico
El poder del haz de electrones de enfoque muy estrecho, casi tan ancho como un átomo, saca un átomo de su posición, y seleccionando el ángulo exacto del haz, los investigadores pueden determinar dónde es más probable que termine. "Queremos usar el rayo para eliminar átomos y esencialmente para jugar fútbol atómico, "hacer regatear los átomos a través del campo de grafeno hasta su posición de" objetivo "prevista, él dice.
"Como el fútbol, no es determinista, pero puedes controlar las probabilidades, ", dice." Como el fútbol, siempre estás tratando de avanzar hacia la meta ".
En los experimentos del equipo, utilizaron principalmente átomos de fósforo, un dopante de uso común, en una hoja de grafeno, una hoja bidimensional de átomos de carbono dispuestos en un patrón de panal. Los átomos de fósforo terminan sustituyendo átomos de carbono en partes de ese patrón, alterando así la electrónica del material, óptico, y otras propiedades de formas que pueden predecirse si se conocen las posiciones de esos átomos.
Por último, el objetivo es mover múltiples átomos de formas complejas. "Esperamos utilizar el haz de electrones para mover básicamente estos dopantes, para que pudiéramos hacer una pirámide, o algún defecto complejo, donde podemos indicar con precisión dónde se encuentra cada átomo, "Li dice.
Esta es la primera vez que se manipulan átomos dopantes electrónicamente distintos en grafeno. "Aunque ya hemos trabajado con impurezas de silicio, el fósforo es potencialmente más interesante por sus propiedades eléctricas y magnéticas, pero como hemos descubierto ahora, también se comporta de formas sorprendentemente diferentes. Cada elemento puede traer nuevas sorpresas y posibilidades, "Susi agrega.
El sistema requiere un control preciso del ángulo y la energía del haz. "A veces tenemos resultados no deseados si no tenemos cuidado, ", dice. Por ejemplo, a veces, un átomo de carbono que estaba destinado a permanecer en su posición "simplemente se va, "y, a veces, el átomo de fósforo se bloquea en su posición en la red, y "no importa cómo cambiemos el ángulo del haz, no podemos afectar su posición. Tenemos que encontrar otra bola ".
Marco teórico
Además de las pruebas experimentales detalladas y la observación de los efectos de diferentes ángulos y posiciones de los haces y el grafeno, El equipo también ideó una base teórica para predecir los efectos, llamado formalismo espacial secundario primario, que rastrea el impulso del "balón de fútbol". "Hicimos estos experimentos y también dimos un marco teórico sobre cómo controlar este proceso, "Li dice.
La cascada de efectos que resulta del rayo inicial tiene lugar en múltiples escalas de tiempo, Li dice:lo que hizo que las observaciones y el análisis fueran difíciles de realizar. La colisión inicial real del electrón relativista (moviéndose a aproximadamente el 45 por ciento de la velocidad de la luz) con un átomo tiene lugar en una escala de zeptosegundos (trillonésimas de mil millonésimas de segundo), pero el movimiento resultante y las colisiones de átomos en la red. se desarrolla en escalas de tiempo de picosegundos o más, miles de millones de veces más.
Los átomos dopantes como el fósforo tienen un espín nuclear distinto de cero, que es una propiedad clave necesaria para los dispositivos cuánticos porque ese estado de giro se ve fácilmente afectado por elementos de su entorno, como los campos magnéticos. Entonces, la capacidad de colocar estos átomos con precisión, en términos de posición y vinculación, podría ser un paso clave hacia el desarrollo de dispositivos de detección o procesamiento de información cuántica, Dice Li.
Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.
