Automatisk sammansättning av individuella koboltatomer på en atomärt plan kopparyta till enkla geometriska former, en ruta, en triangel, och en cirkel. Från vänster till höger, varje figur visar konfigurationen efter varje atomrörelse. Bildstorlek 15 nm × 15 nm. Center:Perfekt montering av NIST-logotypen efter fyra steg av automatiserad montering. Bildstorlek 40 nm × 17 nm. Alla bilder visas i färgad 3D-vy ovanifrån med ljus skuggning med ett höjdområde på ≈100 pm.
NIST-forskare har demonstrerat den autonoma datorstyrda sammansättningen av atomer till perfekta nanostrukturer med hjälp av ett tunnelmikroskop med låg temperatur. Resultaten, publicerad i en inbjuden artikel i Granskning av vetenskapliga instrument , visa konstruktionen utan mänsklig inblandning av kvantbegränsade tvådimensionella nanostrukturer med hjälp av enstaka atomer eller enstaka molekyler på en kopparyta.
Ett stort mål med nanoteknik är att utveckla så kallade "bottom up"-teknologier för att ordna materia efter behag genom att placera atomer precis där man vill ha dem för att bygga nanostrukturer med specifika egenskaper eller funktion. Forskarna, ledd av Robert Celotta och Joseph Stroscio från CNST, har visat de första stegen mot att uppnå den förmågan genom att använda atommanipulationsläget för ett scanning tunneling microscope (STM) i kombination med autonoma rörelsealgoritmer.
Laget, som inkluderar Stephen Balakirsky (tidigare i EL och nu på Georgia Tech), Aaron Fein (PML), Frank Hess (tidigare i CNST), och Gregory Rutter (tidigare i CNST och nu på Intel), använde autonoma algoritmer för att manipulera enskilda atomer och molekyler, ungefär som algoritmerna för "handsfree" bilkörning. Systemet fungerar genom att först skanna platserna för tillgängliga atomer på ytan. Den specificerar sedan de önskade koordinaterna för atomer i en nanostruktur, och automatiskt beräknar och styr banorna för STM-probspetsen för att flytta alla atomerna till deras önskade platser.
Teamet kunde visa att det autonomt kunde konstruera koboltatomer till nanostrukturer som begränsar kvantegenskaperna hos kopparns ytelektroner. Den använde sedan STM för att mäta dessa egenskaper. Förutom att demonstrera konstruktionen av nanostrukturer gjorda av atomer, de visade att det var möjligt att konstruera gitter i nanoskala gjorda av kolmonoxidmolekyler och att skräddarsy interagerande kvantprickar bildade från vakanser i kolmonoxidgittren.
Forskarna tror att ett tillvägagångssätt baserat på autonom konstruktion av atomer och molekyler med denna teknik kan vara grunden för en lättillgänglig verktygslåda för att producera skräddarsydda kvanttillstånd med tillämpningar inom kvantinformationsbehandling och nanofotonik.
