(Phys.org) —I en av de minsta omkopplarna som någonsin gjorts, fem atomer verkar "dansa" runt varandra i en komplex koreografisk sekvens, med deras slutliga arrangemang motsvarande ett av två stabila tillstånd. Denna samordnade rörelse av flera atomer är till skillnad från den i andra nano-switchar, som vanligtvis involverar rörelse av endast en enda atom eller molekyl. Rörelsen av flera atomer ger omkopplaren en stor fördel:på grund av dess stabilitet, det är en av få strömbrytare i atomskala som kan fungera vid rumstemperatur istället för kryogena temperaturer.

Forskarna, Eiichi Inami, et al., vid Osaka University och Japans National Institute for Materials Science, har publicerat sin uppsats om rumstemperatur, växlingsanordning i atomskala i ett färskt nummer av Naturkommunikation .

Nanoswitchar är en del av det större målet att utveckla miniatyriserade elektroniska komponenter, där enstaka atomer och molekyler fungerar som de minsta fysiskt möjliga byggstenarna. Forskare använder mikroskopspetsarna, såsom de på scanning tunneling mikroskop (STM) och atomic force microscopes (AFM), att applicera enelektronpulser som förflyttar enskilda atomer och molekyler på ett kontrollerat sätt.

Även om många brytare i atomskala har demonstrerats med dessa mikroskop, de flesta switchar fungerar endast vid kryogena temperaturer. Detta beror på att värme orsakar okontrollerbara processer som stör atomrörelsen, orsakar byte vid oönskade tidpunkter.

För att skapa ett stall, rumstemperatur, brytare i atomskala, forskarna i den nya studien använde en mikroskopspets för att samla in blyatomer (Pb) en efter en och placera dem i en avgränsad halvenhetscell på en kiselyta (Si). Även om enskilda Pb-atomer uppvisar "termisk hoppning, " forskarna fann att ett kluster av tre Pb-atomer (Pb ₃ ) är termiskt stabil vid rumstemperatur på grund av sin större storlek, men ändå tillräckligt liten för att svara på den elektriska strömmen från mikroskopspetsen.

Som visas i experiment och modellering, varje instängd cell har två möjliga stabila arrangemang av Pb ₃ och Si-atomer. För att växla mellan stater, en mikroskopspets skannas över en specifik Pb- eller Si-atom, som utlöser en komplex rörelse som involverar två Pb- och tre Si-atomer. Forskarna beskriver denna rörelse som en kiral inversion, vilket betyder att de två stabila tillstånden är spegelbilder av varandra efter att ha översatts och roterats. Denna "kirala switch" kan upprepade gånger växlas fram och tillbaka mellan de två tillstånden, som motsvarar höga och låga elektriska strömmar.

"Vår nanostrukturkontroll kan lägga till en funktion till ett kluster, " Förklarade Inami Phys.org . "Eftersom ett kluster - en aggregation av några till några hundra atomer - ibland uppvisar överlägsna egenskaper med speciell storlek och sammansättning, att kontrollera klusterstrukturen är ett lovande tillvägagångssätt för att förverkliga enheter i atomskala. Vår teknik möjliggör korrekt justering av klusterstorlek och ingående atomer med enatoms noggrannhet. Med denna metod, vi kontrollerade exakt den strukturella stabiliteten hos ett kluster så att det fungerar som en rumstemperaturbrytare."

Övergripande, omkopplaren visar att Pb ₃ kan potentiellt fungera som en grundläggande minnesenhet. För att skapa en komplett minnesenhet, flera celler måste integreras i en periodisk, välordnad array. Forskarna föreslår att självmonteringsprocesser kan användas för att konstruera en sådan minnesenhet, och kan i slutändan leda till inspelning med ultrahög densitet och läsning av information vid rumstemperatur.

"Vi tror att den här switchen kan bli ett kraftfullt verktyg för grundforskning, " Sa Inami. "Till exempel, switchen har en intressant funktion, att växlingen sker mellan motsatt kiralitet, vilket resulterar i en kiral switch. Kiral teknologi som syftar till syntesen av "enantiopura föreningar" [som bara har en kiral form] ger ultimat kontroll över kemiska reaktioner och har varit ett mål inom fysiken, kemi, biologi och farmakologi. Vårt tillvägagångssätt kan konstruera omkopplingsbara kirala motiv i atomärt exakta positioner, såsom skapandet av homokirala domäner/kluster och allokering av kirala arter nära några reaktiva element. Dessa kan ge en ledtråd för att i grunden förstå kirala selektiva reaktioner från en mikroskopisk syn."

I framtiden, forskarna planerar att tillämpa sin teknik för att designa andra enheter i nanoskala.

"En av våra framtidsplaner är att utforska andra nya funktioner gömda i flera kluster, " Sa Inami. "Vår teknik för att konstruera atomiskt definierade kluster är allmänt tillämplig på olika element. Detta motiverar oss att skapa en mängd olika kluster med olika funktioner och systematiskt bädda in dem i önskade nanoskalaregioner. Vi tror att detta öppnar upp för ny nanotillverkning för att uppnå integrerad elektronik i atomär skala."

© 2015 Phys.org