Föreställ dig att mönstra och visualisera kisel på atomnivå, något som, om det görs framgångsrikt, kommer att revolutionera kvant- och klassisk datorindustri. Ett team av forskare i Edmonton, Kanada har gjort just det, ledd av en världskänd fysiker och hans blivande skyddsling.

University of Alberta Doktorand Taleana Huff slog sig ihop med sin handledare Robert Wolkow för att kanalisera en teknik som kallas atomkraftsmikroskopi – eller AFM – för att mönstra och avbilda elektroniska kretsar på atomnivå. Detta är första gången den kraftfulla tekniken har tillämpats på atomskalig tillverkning och avbildning av en kiselyta, notoriskt svårt eftersom handlingen att tillämpa tekniken riskerar att skada kislet. Dock, belöningen är värd risken, eftersom denna nivå av kontroll kan stimulera revolutionen inom teknikindustrin.

"Det är ungefär som punktskrift, " förklarar Huff. "Du för den atomärt vassa spetsen riktigt nära provets yta för att helt enkelt känna atomerna genom att använda krafterna som finns naturligt bland alla material."

Ett av problemen med att arbeta på atomär skala är risken att störa det du mäter genom att mäta det. Huff, Wolkow, och deras forskningssamarbetspartners har till stor del övervunnit dessa problem och som ett resultat kan de nu bygga genom att flytta runt enskilda atomer:viktigast av allt, dessa atomärt definierade strukturer resulterar i en ny nivå av kontroll över enskilda elektroner.

Detta är första gången som den kraftfulla AFM-tekniken har visat sig se inte bara kiselatomerna utan även de elektroniska bindningarna mellan dessa atomer. Centralt i tekniken är en kraftfull ny beräkningsmetod som analyserar och verifierar identiteten hos atomerna och bindningarna som syns i bilderna. "Vi hade inte kunnat utföra dessa nya och krävande beräkningar utan stöd från Compute Canada. Denna kombinerade beräknings- och mätningsmetod lyckas skapa en grund för en helt ny generation av både klassiska och kvantberäkningsarkitekturer, säger Wolkow.

Han har sitt långsiktiga sikte inställt på att göra ultrasnabba och ultralågeffektkiselbaserade kretsar, potentiellt förbrukar tio tusen gånger mindre ström än vad som finns på marknaden.

"Föreställ dig istället för att ditt telefonbatteri ska räcka en dag som det kan räcka veckor åt gången, eftersom du bara använder ett par elektroner per beräkningsmönster, säger Huff, som förklarar att precisionen i arbetet kommer att tillåta gruppen och potentiella industriinvesterare att geometriskt mönstra atomer för att göra nästan vilken typ av logikstruktur som helst tänkbar.

Detta praktiska arbete var precis vad som drog den självbeskrivna kanadensiska från födelse amerikan-till-personlighet till kondenserad materiens fysik vid University of Albertas naturvetenskapliga fakultet. Efter grundutbildningsarbete i astrofysik – och en praktikplats vid NASA – kände Huff ett behov av att bli mer påtaglig med sitt examensarbete. (Med hobbyer som inkluderar kraftlyft och motorcykelrestaurering, hon kommer av längtan efter påtaglighet helt ärligt.) "Jag ville ha något som jag kunde röra vid, något som skulle bli en fysisk produkt som jag skulle kunna arbeta med direkt, säger Huff.

Och när det gäller vem hon ville arbeta med, hon gick direkt till toppen, söker upp Wolkow, känd världen över för sitt arbete med kvantprickar, dinglande band, och industridrivande arbete på atomär skala. "Han har bara en sådan passion och övertygelse för det han gör, " fortsätter hon. "Med Bob, det är som, "vi kommer att förändra världen." Jag tycker att det är väldigt inspirerande, säger Huff.

"Taleana har passionen och drivkraften att få mycket utmanande saker gjorda. Hon har nu förståelse och färdigheter som är verkligt unika i världen, vilket ger oss en stor fördel på området, " säger Wolkow. "Vi behöver bara jobba på hennes musiksmak, " tillägger han med ett skratt.

Gruppens senaste forskningsrön, "Möjlig observation av kemisk bindningskontrast i AFM-bilder av en väteterminerad kiselyta" publicerades den 13 februari, 2017 års nummer av Naturkommunikation .