Una técnica novedosa que empuja átomos individuales a cambiar de lugar dentro de un material atómicamente delgado podría acercar a los científicos un paso más hacia la realización de la visión del físico teórico Richard Feynman de construir pequeñas máquinas desde el átomo hacia arriba.

Un impulso significativo para desarrollar materiales que aprovechen la naturaleza cuántica de los átomos está impulsando la necesidad de métodos para construir componentes electrónicos y sensores atómicamente precisos. Fabricar dispositivos a nanoescala átomo por átomo requiere delicadeza y precisión, lo cual ha sido demostrado por un equipo de microscopía en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge del Departamento de Energía.

Utilizaron un microscopio electrónico de transmisión de barrido, o STEM, en el Centro de Ciencias de Materiales Nanophase del laboratorio para introducir átomos de silicio en una hoja de grafeno de un solo átomo de espesor. A medida que el haz de electrones escanea el material, su energía altera ligeramente la estructura molecular del grafeno y crea espacio para que un átomo de silicio cercano cambie de lugar con un átomo de carbono.

"Observamos una reacción química asistida por haz de electrones inducida en un solo átomo y en el nivel de enlace químico, y cada paso ha sido capturado por el microscopio, que es raro, "dijo Ondrej Dyck de ORNL, coautor de un estudio publicado en la revista Pequeña que detalla la demostración de STEM.

Usando este proceso, los científicos pudieron traer dos, tres y cuatro átomos de silicio juntos para construir grupos y hacerlos rotar dentro de la capa de grafeno. El grafeno es bidimensional, o 2-D, capa de átomos de carbono que exhibe una fuerza sin precedentes y una alta conductividad eléctrica. Dyck dijo que seleccionó el grafeno para este trabajo, porque "es robusto contra un haz de electrones de 60 kilovoltios".

"Podemos observar el grafeno durante largos períodos de tiempo sin dañar la muestra, en comparación con otros materiales 2-D como las monocapas de dicalcogenuro de metales de transición, que tienden a desmoronarse más fácilmente bajo el haz de electrones, "añadió.

STEM ha surgido en los últimos años como una herramienta viable para manipular átomos en materiales preservando la estabilidad de la muestra.

Sergei Kalinin, colegas de Dyck y ORNL, Albina Borisevich y Stephen Jesse se encuentran entre los pocos científicos que están aprendiendo a controlar el movimiento de átomos individuales en materiales 2-D utilizando STEM. Su trabajo apoya una iniciativa liderada por ORNL acuñada The Atomic Forge, lo que alienta a la comunidad de microscopía a reinventar STEM como un método para construir materiales desde cero.

Los campos de la nanociencia y la nanotecnología han experimentado un crecimiento explosivo en los últimos años. Uno de los primeros pasos hacia la idea de Feynman de construir pequeñas máquinas átomo por átomo —una continuación de su teoría original de la manipulación atómica presentada por primera vez durante su famosa conferencia de 1959— fue sembrado por el trabajo de Donald Eigler, compañero de IBM. Había mostrado la manipulación de átomos utilizando un microscopio de efecto túnel.

"Por décadas, El método de Eigler fue la única tecnología para manipular átomos uno por uno. Ahora, hemos demostrado un segundo enfoque con un haz de electrones en el STEM, "dijo Kalinin, director del Instituto ORNL de Imagen Funcional de Materiales. Jesse y él iniciaron una investigación con el haz de electrones hace unos cuatro años.

Mover átomos con éxito en STEM podría ser un paso crucial hacia la fabricación de dispositivos cuánticos, un átomo a la vez. A continuación, los científicos intentarán introducir otros átomos como el fósforo en la estructura del grafeno.

"El fósforo tiene potencial porque contiene un electrón extra en comparación con el carbono, "Dijo Dyck." Esto sería ideal para construir un bit cuántico, o qubit, que es la base de los dispositivos cuánticos ".

Su objetivo es eventualmente construir un prototipo de dispositivo en STEM.

Dyck advirtió que si bien la construcción de un qubit a partir de grafeno dopado con fósforo está en el horizonte, Se desconoce cómo se comportaría el material a temperatura ambiente, fuera del STEM o en un entorno criogénico.

"Hemos descubierto que exponer el grafeno dopado con silicio al mundo exterior tiene un impacto en las estructuras, " él dijo.

Continuarán experimentando con formas de mantener el material estable en entornos que no sean de laboratorio, lo cual es importante para el éxito futuro de las estructuras atómicamente precisas construidas en STEM.

"Al controlar la materia a escala atómica, vamos a llevar el poder y el misterio de la física cuántica a los dispositivos del mundo real, "Dijo Jesse.