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利用电子束实现对单个原子的操纵,有望开启“原子工程”新时代
2019-06-04

[据麻省理工学院网站5月17日报道]    麻省理工学院(MIT)、维也纳大学等多家单位的研究人员合作,开发出一种新方法,可采用高度聚焦的电子束重新定位原子,并控制它们的准确位置和成键方向。这一发现最终有望用于制造量子计算设备或传感器,并开启一个“原子工程”的新时代。研究成果发表在《Science Advances》杂志上。
虽然之前也有研究人员实现对单个原子的操作,甚至在原子表面创建出一个均匀的圆圈,但该过程涉及到在扫描隧道显微镜(STM)探针尖端拾起单个原子,然后把它们放回原位,这是一个相对缓慢的机械过程。此次开发的新工艺利用扫描透射电镜(STEM)中的相对论电子束操纵原子,它可以完全由磁透镜进行电子控制,不需要机械运动部件,因此使得该过程要快得多,从而有望获得实际应用。
研究人员表示,通过电子控制和人工智能技术,最终可以在微秒级时间尺度上操纵原子,比现在采用机械探测器操纵它们的速度快了好几个数量级。此外,有望实现多个电子束同时作用于同一块材料上。他们的目标是控制一到几百个原子,包括控制它们的位置、电荷状态,以及电子及原子核的自旋状态。
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,从而在材料中产生“缺陷”——这些区域无法保持硅晶体结构的完全有序。但这一过程是分散的,因此没有办法以原子精度控制掺杂原子的去向。而新系统能够实现精确定位。
利用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。虽然定位本质上是由概率决定的,并不是100%准确,但通过确定实际位置能够只选择那些最终到达正确位置的原子。
与原子一样宽的、聚焦非常窄的电子束的能量将原子击离其位置,通过选择电子束的精确角度,研究人员可以确定原子最可能终止的位置。该系统需要精确控制电子束的角度和能量。
研究人员进行了相关实验,他们在石墨烯片上使用磷原子(一种常用的掺杂剂),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。如果知道这些原子的位置,这些性质是可以预测的。这是首次在石墨烯上操纵电子上不同的掺杂原子。
该研究的最终的目标是以复杂的方式移动多个原子。研究人员希望利用电子束来移动这些掺杂物,使其呈金字塔状,或是一些缺陷复合体结构,并且可以精确地指出每个原子的位置。
除了对电子束和石墨烯的不同角度与位置所产生的影响进行了实验测试和观察外,该团队还得出了相应的理论基础来预测这种效应,名为“初级敲击式空间形式”(primary knock-on space formalism),可用于跟踪原子的动量。
初始光束产生的级联效应发生在多个时间尺度上,因此难以进行观测和分析。实际相对论电子(以大约45%的光速移动)与原子的碰撞发生在仄秒(zeptosecond,即10的负21次秒)级尺度,但晶格中的原子产生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)。
如磷等掺杂原子具有非零的核自旋,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因素(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。
加州大学伯克利分校的物理学教授表示,这是该领域的一项重要进展。杂质原子和晶格缺陷是电子领域的关键,随着固态器件变得越来越小,小到纳米尺度,精确地知道单个杂质原子或缺陷的位置及其原子环境变得越来越重要。一个极具挑战性的目标是开发一种可扩展的方法,能够有控制地操纵或将单个原子置于所需位置,同时准确预测该位置将对设备性能产生何种影响。
除了麻省理工学院的领导团队外,此次国际合作还包括来自维也纳大学、中国科学院大学、丹麦奥尔胡斯大学、厄瓜多尔国立理工学院、美国橡树岭国家实验室和中国四川大学的研究人员。这项工作得到了美国国家科学基金会、美国陆军研究办公室、麻省理工学院士兵纳米技术研究所、奥地利科学基金、欧洲研究理事会、丹麦独立研究理事会、中国科学院和美国能源部的支持。(北方科技信息研究所 李良琦)

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