Forskare vid universitetet i Wiens fysikaliska fakultet i samarbete med kollegor från Oak Ridge National Laboratory i USA har upptäckt en oförstörande mekanism för att manipulera donatorföroreningar i kisel med fokuserad elektronbestrålning. I denna nya indirekta utbytesprocess är inte en utan två angränsande kiselatomer involverade i en koordinerad atomär "vals, " vilket kan öppna en väg för tillverkning av solid-state qubits. Resultaten har publicerats i Journal of Physical Chemistry .

Tekniska material på atomär skala är ett yttersta mål för nanoteknik. Välkända exempel på atommanipulation med scanning tunnelmikroskopi sträcker sig från konstruktionen av kvantkoraller till omskrivbara atomminnen. Dock, medan etablerade scanningsprobtekniker är kapabla verktyg för manipulering av ytatomer, de kan inte nå huvuddelen av materialet på grund av deras behov av att få en fysisk spets i kontakt med provet och kräver vanligtvis drift och lagring vid kryogena temperaturer.

De senaste framstegen inom sveptransmissionselektronmikroskopi (STEM) har ökat intresset för att använda en elektronstråle för atommanipulation, och Wien har vuxit fram som ett av de ledande centrumen för denna forskning över hela världen. "Den unika styrkan med denna teknik är dess förmåga att komma åt inte bara ytatomer utan även föroreningar i tunna bulkkristaller. Detta är inte bara en teoretisk möjlighet:den första proof-of-principe-manipulationen av vismutdopmedel i kisel demonstrerades nyligen av vår amerikanska kollaboratörer, " förklarar Toma Susi.

Det nya gemensamma arbetet är en systematisk modellstudie om elektronstrålemanipulation av grupp V-dopantelement inom kisel. Avgörande, Wien-teamet upptäckte en ny typ av mekanism som de kallar indirekt utbyte, där inte en utan två närliggande kiselatomer är involverade i en koordinerad atomär "vals, " som förklarar hur elektronpåverkan kan flytta dessa föroreningar inom huvuddelen av kiselgittret. "Medan den här mekanismen bara fungerar för de två tyngre donatorelementen, vismut och antimon, det var avgörande att finna att det är oförstörande, eftersom inga atomer behöver tas bort från gittret, ", tillägger Alexander Markevich.

Som ytterligare ett experimentellt framsteg, teamet kunde för första gången demonstrera möjligheten att manipulera antimonföroreningar i kisel med hjälp av STEM. Den exakta positioneringen av dopningsatomer i kristallgitter kan möjliggöra nya tillämpningar inom områden inklusive fasta tillståndsavkänning och kvantberäkning. Detta kan få spännande konsekvenser, som Susi avslutar:"Väldigt nyligen, antimondopmedel i kisel föreslogs som lovande kandidater för kärnspinn-qubits i fast tillstånd, och vårt arbete kan öppna en väg för deras deterministiska tillverkning."