Nanoteknik är en blomstrande vetenskap. Delar till exempelvis datorer blir mindre och mer exakta för varje minut. En av de mest effektiva datorerna skulle vara den så kallade kvantdatorn. Tills nu, dess existens har bara varit ett koncept som är baserat på kvantmekanikens lagar. Här, förmågan att kontrollera enskilda atomers tillstånd är avgörande. För första gången någonsin, forskare från Kiel University har lyckats flytta enskilda atomer vertikalt inuti en kristall. Detta är viktigt för vidareutvecklingen av nanostrukturer. Samtidigt, fysikerna hittade en metod för att mäta ett transistorliknande beteende hos enskilda atomer. Dessa fynd har nyligen publicerats i den vetenskapliga tidskriften Naturkommunikation (januari, 3:a, 2014) såväl som i den berömda Fysiska granskningsbrev .

Vid tillverkning av nanostrukturer, förståelsen, analys och hantering av material innebär stora utmaningar. Ett mycket använt och undersökt material för piezo-, mikro-, och optoelektroniska enheter är zinkoxid (ZnO). Som halvledare är den inbyggd i lysdioder (LED) och LCD-skärmar. Också, den används som nanotrådar inom elektrisk mätteknik. Vissa av dess egenskaper – såsom ledningsförmågan hos det rena materialet – har hittills inte förståtts. Ett stort steg mot att lösa detta mysterium togs nyligen av Dr Hao Zheng, Dr Alexander Weismann och professor Richard Berndt från Institutet för experimentell och tillämpad fysik vid Kiel University. Medan jag experimenterade vid Collaborative Research Center "Magnetoelektriska kompositer – Future Biomagnetic Interfaces, " Zheng analyserade zinkoxid med scanning tunneling microscope (STM). Den här enheten kan avbilda kristaller i atomär skala. Han upptäckte cirkulära strukturer i den annars oregelbundna ytan. "Vi fann att de är ett resultat av zinkatomer som var felaktigt placerad i kristallgittret", säger Zheng.

Var och en av de upptäckta atomerna hade två ringar – ett tydligt bevis på att den kan donera två elektroner. "Vi studerade all vetenskaplig litteratur för att ta reda på att ingen hittills har bevisat varför zinkoxid är ledande. Den logiska slutsatsen var att orsaken måste ligga inom de nyfunna zinkatomerna, som finns naturligt i detta material."

Ytterligare forskning ledde till att Dr Zheng upptäckte att ringens storlek kunde varieras samtidigt som den exponerades för experiment i scanningstunnelmikroskopet. Han bad om hjälp av sin kollega Weismann, som är expert på modellberäkning. "Beräkningen antydde att ringens diameter avslöjade något om djupet av atomerna under ytan", säger Weismann. Med detta var det tydligt att Zheng hade upptäckt ett sätt att ändra positionen för en atom med en enda atoms bredd. "Detta är första gången en enskild atom förflyttas kontrollerbart i en kristall med atomär precision", Weismann betonar. "Denna förmåga kommer att vara till hjälp när man designar nanostrukturer i laboratorier."

Tillsammans med deras andra fynd, forskarna vid Kiel University noterade ett beteende som liknade det hos transistorer. Denna komponent, som används i datorer av miljoner, kräver vanligtvis tre kontaktelektroder. När man arbetar med nanostrukturer som atomer, som bara mäter 0,3 nanometer, tre elektroder skulle oundvikligen orsaka en kortslutning. "Med hjälp av STM har vi upptäckt en metod som bara behöver två elektroder, varav en är rörlig." Detta är också ett stort steg för hanteringen av nanostrukturer.