Den ultimata graden av kontroll för ingenjörskonst skulle vara förmågan att skapa och manipulera material på den mest grundläggande nivån, tillverkning av enheter atom för atom med exakt kontroll.

Nu, forskare vid MIT, universitetet i Wien, och flera andra institutioner har tagit ett steg i den riktningen, utveckla en metod som kan ompositionera atomer med en starkt fokuserad elektronstråle och kontrollera deras exakta placering och bindningsorientering. Fyndet kan i slutändan leda till nya sätt att tillverka kvantberäkningsenheter eller sensorer, och inleda en ny tid av "atomteknik, " de säger.

Förskottet beskrivs idag i journalen Vetenskapens framsteg , i en artikel av MIT-professorn i kärnvetenskap och teknik Ju Li, doktorand Cong Su, Professor Toma Susi vid universitetet i Wien, och 13 andra på MIT, universitetet i Wien, Oak Ridge National Laboratory, och i Kina, Ecuador, och Danmark.

"Vi använder många av nanoteknikens verktyg, " förklarar Li, som innehar en gemensam förordnande inom materialvetenskap och teknik. Men i den nya forskningen, dessa verktyg används för att styra processer som ännu är en storleksordning mindre. "Målet är att kontrollera en till några hundra atomer, att kontrollera sina positioner, kontrollera deras laddningstillstånd, och kontrollera deras elektroniska och nukleära spinntillstånd, " han säger.

Medan andra tidigare har manipulerat enskilda atomers positioner, till och med skapa en snygg cirkel av atomer på en yta, den processen innebar att man plockade upp enskilda atomer på den nålliknande spetsen av ett skanningstunnelmikroskop och sedan släppte dem på plats, en relativt långsam mekanisk process. Den nya processen manipulerar atomer med hjälp av en relativistisk elektronstråle i ett sveptransmissionselektronmikroskop (STEM), så det kan styras helt elektroniskt av magnetiska linser och kräver inga mekaniska rörliga delar. Det gör processen potentiellt mycket snabbare, och därmed kan leda till praktiska tillämpningar.

Använda elektroniska kontroller och artificiell intelligens, "vi tror att vi så småningom kan manipulera atomer på mikrosekunders tidsskala, " säger Li. "Det är många storleksordningar snabbare än vi kan manipulera dem nu med mekaniska sonder. Också, det borde vara möjligt att ha många elektronstrålar som arbetar samtidigt på samma materialstycke."

"Detta är ett spännande nytt paradigm för atommanipulation, säger Susi.

Datorchips tillverkas vanligtvis genom att "dopa" en kiselkristall med andra atomer som behövs för att ge specifika elektriska egenskaper, på så sätt skapar "defekter" i materialet – områden som inte bevarar den perfekt ordnade kristallina strukturen hos kislet. Men den processen är spridd, Li förklarar, så det finns inget sätt att kontrollera med atomär precision var dessa dopantatomer tar vägen. Det nya systemet möjliggör exakt positionering, han säger.

Samma elektronstråle kan användas för att slå en atom både ur en position och till en annan, och sedan "läsa" den nya positionen för att verifiera att atomen hamnade där den var tänkt, säger Li. Även om positioneringen i huvudsak bestäms av sannolikheter och inte är 100 procent korrekt, möjligheten att bestämma den faktiska positionen gör det möjligt att välja ut endast de som hamnat i rätt konfiguration.

Atomisk fotboll

Kraften hos den mycket snävt fokuserade elektronstrålen, ungefär lika bred som en atom, slår en atom ur sin position, och genom att välja den exakta vinkeln på strålen, forskarna kan avgöra var det är mest troligt att det hamnar. "Vi vill använda strålen för att slå ut atomer och i huvudsak för att spela atomfotboll, "dribbla atomerna över grafenfältet till deras avsedda "mål"-position, han säger.

"Som fotboll, det är inte deterministiskt, men du kan kontrollera sannolikheterna, " säger han. "Som fotboll, du försöker alltid gå mot målet."

I teamets experiment, de använde främst fosforatomer, ett vanligt använda dopämne, i ett ark grafen, ett tvådimensionellt ark av kolatomer arrangerade i ett bikakemönster. Fosforatomerna kommer att ersätta kolatomer i delar av det mönstret, på så sätt förändra materialets elektroniska, optisk, och andra egenskaper på sätt som kan förutsägas om positionerna för dessa atomer är kända.

I sista hand, Målet är att flytta flera atomer på komplexa sätt. "Vi hoppas kunna använda elektronstrålen för att i princip flytta dessa dopämnen, så vi kunde göra en pyramid, eller något defektkomplex, där vi kan ange exakt var varje atom sitter, " säger Li.

Detta är första gången elektroniskt distinkta dopningsatomer har manipulerats i grafen. "Även om vi har arbetat med kiselföroreningar tidigare, fosfor är både potentiellt mer intressant för sina elektriska och magnetiska egenskaper, men som vi nu har upptäckt, beter sig också på förvånansvärt olika sätt. Varje element kan innehålla nya överraskningar och möjligheter, ", tillägger Susi.

Systemet kräver exakt kontroll av strålvinkeln och energin. "Ibland har vi oönskade resultat om vi inte är försiktiga, " säger han. Till exempel, ibland en kolatom som var avsedd att stanna i position "bara lämnar, "och ibland låses fosforatomen i position i gittret, och "då oavsett hur vi ändrar strålvinkeln, vi kan inte påverka dess ställning. Vi måste hitta en annan boll."

Teoretiskt ramverk

Förutom detaljerad experimentell testning och observation av effekterna av olika vinklar och positioner av strålarna och grafen, teamet tog också fram en teoretisk grund för att förutsäga effekterna, kallas primär knock-on rymdformalism, som spårar farten i "fotbollsbollen". "Vi gjorde dessa experiment och gav också en teoretisk ram för hur man kontrollerar denna process, " säger Li.

Kaskaden av effekter som resulterar från den initiala strålen äger rum över flera tidsskalor, Li säger, vilket gjorde observationerna och analysen svår att genomföra. Den faktiska initiala kollisionen av den relativistiska elektronen (som rör sig med cirka 45 procent av ljusets hastighet) med en atom sker på en skala av zeptosekunder – biljondelar av en miljarddels sekund – men den resulterande rörelsen och kollisioner av atomer i gittret utspelar sig över tidsskalor på pikosekunder eller längre — miljarder gånger längre.

Dopande atomer som fosfor har ett kärnspinn som inte är noll, vilket är en nyckelegenskap som behövs för kvantbaserade enheter eftersom det spinntillståndet lätt påverkas av delar av dess omgivning som magnetfält. Så förmågan att placera dessa atomer exakt, när det gäller både position och bindning, kan vara ett viktigt steg mot att utveckla kvantinformationsbehandling eller avkänningsenheter, säger Li.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.