En ny teknik som knuffar enstaka atomer att byta plats i ett atomärt tunt material kan föra forskare ytterligare ett steg närmare att förverkliga den teoretiska fysikern Richard Feynmans vision om att bygga små maskiner från atomen och uppåt.

En betydande insats för att utveckla material som utnyttjar atomernas kvantnatur driver behovet av metoder för att bygga atomärt exakt elektronik och sensorer. Att tillverka enheter i nanoskala atom för atom kräver delikatess och precision, vilket har demonstrerats av ett mikroskopiteam vid Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory.

De använde ett sveptransmissionselektronmikroskop, eller STEM, vid labbets Center for Nanophase Materials Sciences för att introducera kiselatomer i ett enatomtjockt ark av grafen. När elektronstrålen skannar över materialet, dess energi stör något grafenens molekylära struktur och skapar utrymme för en närliggande kiselatom att byta plats med en kolatom.

"Vi observerade en elektronstråleassisterad kemisk reaktion inducerad vid en enstaka atom och kemisk bindningsnivå, och varje steg har fångats av mikroskopet, vilket är sällsynt, " sa ORNLs Ondrej Dyck, medförfattare till en studie publicerad i tidskriften Små som beskriver STEM-demonstrationen.

Genom att använda denna process, forskarna kunde vidare ta med två, tre och fyra kiselatomer tillsammans för att bygga kluster och få dem att rotera inom grafenskiktet. Grafen är en tvådimensionell, eller 2D, lager av kolatomer som uppvisar oöverträffad styrka och hög elektrisk ledningsförmåga. Dyck sa att han valde grafen för detta arbete, eftersom "den är robust mot en 60-kilovolts elektronstråle."

"Vi kan titta på grafen under långa perioder utan att skada provet, jämfört med andra 2D-material såsom dikalkogenidmonoskikt av övergångsmetall, som tenderar att falla isär lättare under elektronstrålen, " han lade till.

STEM har dykt upp under de senaste åren som ett gångbart verktyg för att manipulera atomer i material samtidigt som provets stabilitet bevaras.

Dyck och ORNL-kollegor Sergei Kalinin, Albina Borisevich och Stephen Jesse är bland få forskare som lär sig att kontrollera rörelsen av enskilda atomer i 2D-material med hjälp av STEM. Deras arbete stödjer ett ORNL-ledt initiativ myntat The Atomic Forge, som uppmuntrar mikroskopisamhället att ombilda STEM som en metod för att bygga material från grunden.

Områdena nanovetenskap och nanoteknik har upplevt en explosiv tillväxt de senaste åren. Ett av de tidigare stegen mot Feynmans idé om att bygga små maskiner atom för atom – en uppföljning av hans ursprungliga teori om atommanipulation som först presenterades under hans berömda föreläsning 1959 – seedades av IBM-kollegan Donald Eiglers arbete. Han hade visat manipulation av atomer med hjälp av ett scanningstunnelmikroskop.

"I årtionden, Eiglers metod var den enda tekniken för att manipulera atomer en efter en. Nu, vi har visat ett andra tillvägagångssätt med en elektronstråle i STEM, sa Kalinin, direktör för ORNL Institute for Functional Imaging of Materials. Han och Jesse inledde forskning med elektronstrålen för ungefär fyra år sedan.

Att framgångsrikt flytta atomer i STEM kan vara ett avgörande steg mot att tillverka kvantenheter en atom i taget. Forskarna kommer sedan att försöka introducera andra atomer som fosfor i grafenstrukturen.

"Fosfor har potential eftersom det innehåller en extra elektron jämfört med kol, " sa Dyck. "Detta skulle vara idealiskt för att bygga en kvantbit, eller qubit, som är grunden för kvantbaserade enheter."

Deras mål är att så småningom bygga en enhetsprototyp i STEM.

Dyck varnade för att samtidigt som man bygger en qubit från fosfordopad grafen är i horisonten, hur materialet skulle bete sig vid omgivande temperaturer - utanför STEM eller en kryogen miljö - är fortfarande okänt.

"Vi har funnit att att exponera den kiseldopade grafenen för omvärlden påverkar strukturerna, " han sa.

De kommer att fortsätta att experimentera med sätt att hålla materialet stabilt i icke-laboratoriemiljöer, vilket är viktigt för den framtida framgången för STEM-byggda atomärt precisa strukturer.

"Genom att kontrollera materia på atomär skala, vi kommer att föra kraften och mysteriet med kvantfysik till verkliga enheter, " sa Jesse.