Illustration de la dynamique expérimentale concurrente du dopant P dans le graphène et son contrôle. Les cadres sont des images annulaires à champ sombre à angle moyen, et l'identité chimique de chaque dopant a été confirmée par spectroscopie de perte d'énergie électronique (EELS). (A) Trois images montrant un échange direct entre l'atome P le plus brillant (en raison de son plus grand contraste de diffusion) et un voisin C, avec l'initiale (cadre 1), transition (image 2), et les configurations finales (cadre 3). Les lignes pointillées blanches et noires indiquent la rangée du faisceau de balayage lorsque l'échange se produit. Vitesse de numérisation, 8,4 s par image. Aucun post-traitement n'a été effectué. (B) Quatre images montrant à la fois un échange direct (images 1 et 2) et une transition SW (images 2 à 4). Barres d'échelle, 2 . Vitesse de numérisation, 0,07 s par image. Un filtre médian avec un noyau de 2 pixels × 2 pixels a été appliqué pour plus de clarté. La transition SW a été capturée lors de l'acquisition EELS dans de petites fenêtres de sous-balayage pour améliorer le rapport signal/bruit des spectres utilisés pour identifier les dopants et pour obtenir des images de taux de balayage plus rapides qui peuvent mieux capturer la dynamique atomique. (C) Atome C voisin détruit par le faisceau d'électrons, transformer un P triplement coordonné en P quadruple. Vitesse de balayage, 8 s par image. Aucun post-traitement n'a été effectué. (D) Le dopant P est remplacé par un atome de C. Vitesse de numérisation, 4 s par image. Les différents codages de couleur des images représentent différentes catégories :le gris représente le processus de conservation des atomes, et le magenta représente un processus sans conservation d'atomes. Les cercles pointillés bleus et rouges dans (A) et (B) représentent les sites de réseau inéquivalents du graphène, et les cercles en pointillés verts dans (C) et (D) indiquent l'emplacement de l'atome qui n'a pas été conservé. (E et F) Contrôle intentionnel de l'échange direct P. Les croix jaunes indiquent l'emplacement où le faisceau d'électrons a été stationné pendant 10 s pour déplacer délibérément l'atome de P d'un site de réseau. Les cercles en pointillés verts et bleus indiquent les deux sites de réseau non équivalents du graphène. Encarts :la région d'intérêt après l'application d'un filtre gaussien. (G) Un tracé schématique du processus de contrôle, où le faisceau d'électrons est représenté par un cône vert focalisé sur l'atome C voisin. Crédit: Avancées scientifiques (2019). advances.sciencemag.org/content/5/5/eaav2252
Le degré ultime de contrôle pour l'ingénierie serait la capacité de créer et de manipuler des matériaux au niveau le plus élémentaire, fabriquer des appareils atome par atome avec un contrôle précis.
Maintenant, scientifiques du MIT, l'Université de Vienne, et plusieurs autres institutions ont fait un pas dans cette direction, développer une méthode qui peut repositionner des atomes avec un faisceau d'électrons hautement focalisé et contrôler leur emplacement exact et l'orientation de la liaison. La découverte pourrait finalement conduire à de nouvelles façons de fabriquer des dispositifs ou des capteurs d'informatique quantique, et inaugurer une nouvelle ère de « génie atomique, " ils disent.
L'avancée est décrite aujourd'hui dans la revue Avancées scientifiques , dans un article du professeur de science et d'ingénierie nucléaires du MIT, Ju Li, étudiant diplômé Cong Su, Professeur Toma Susi de l'Université de Vienne, et 13 autres au MIT, l'Université de Vienne, Laboratoire national d'Oak Ridge, et en Chine, Equateur, et le Danemark.
"Nous utilisons beaucoup d'outils de la nanotechnologie, " explique Li, qui détient une nomination conjointe en science et génie des matériaux. Mais dans la nouvelle recherche, ces outils sont utilisés pour contrôler des processus qui sont encore d'un ordre de grandeur plus petit. "Le but est de contrôler un à quelques centaines d'atomes, contrôler leurs positions, contrôler leur état de charge, et contrôler leurs états de spin électronique et nucléaire, " il dit.
Alors que d'autres ont déjà manipulé les positions des atomes individuels, créant même un cercle net d'atomes sur une surface, ce processus impliquait de ramasser des atomes individuels sur la pointe en forme d'aiguille d'un microscope à effet tunnel, puis de les laisser tomber en position, un processus mécanique relativement lent. Le nouveau processus manipule les atomes à l'aide d'un faisceau d'électrons relativiste dans un microscope électronique à transmission à balayage (STEM), il peut donc être entièrement contrôlé électroniquement par des lentilles magnétiques et ne nécessite aucune pièce mécanique mobile. Cela rend le processus potentiellement beaucoup plus rapide, et pourrait ainsi conduire à des applications pratiques.
À l'aide de commandes électroniques et d'intelligence artificielle, "nous pensons que nous pouvons éventuellement manipuler des atomes à des échelles de temps de la microseconde, " dit Li. " C'est plusieurs ordres de grandeur plus rapide que nous ne pouvons les manipuler maintenant avec des sondes mécaniques. Aussi, il devrait être possible d'avoir plusieurs faisceaux d'électrons travaillant simultanément sur le même morceau de matériau."
"C'est un nouveau paradigme passionnant pour la manipulation des atomes, " dit Susi.
Les puces informatiques sont généralement fabriquées en "dopant" un cristal de silicium avec d'autres atomes nécessaires pour conférer des propriétés électriques spécifiques, créant ainsi des "défauts" dans le matériau - des régions qui ne préservent pas la structure cristalline parfaitement ordonnée du silicium. Mais ce processus est dispersé, Li explique, il n'y a donc aucun moyen de contrôler avec une précision atomique où vont ces atomes dopants. Le nouveau système permet un positionnement exact, il dit.
Le même faisceau d'électrons peut être utilisé pour faire tomber un atome à la fois d'une position et dans une autre, puis "lire" la nouvelle position pour vérifier que l'atome s'est retrouvé là où il était censé, dit Li. Alors que le positionnement est essentiellement déterminé par des probabilités et n'est pas précis à 100 pour cent, la possibilité de déterminer la position réelle permet de ne sélectionner que ceux qui se sont retrouvés dans la bonne configuration.
Football atomique
La puissance du faisceau d'électrons très étroitement focalisé, à peu près aussi large qu'un atome, fait sortir un atome de sa position, et en sélectionnant l'angle exact du faisceau, les chercheurs peuvent déterminer où il est le plus susceptible d'aboutir. "Nous voulons utiliser le faisceau pour assommer des atomes et essentiellement pour jouer au football atomique, " dribbler les atomes à travers le champ de graphène jusqu'à leur position "objectif" prévue, il dit.
"Comme le football, ce n'est pas déterministe, mais vous pouvez contrôler les probabilités, " dit-il. " Comme le football, vous essayez toujours d'avancer vers le but."
Dans les expériences de l'équipe, ils utilisaient principalement des atomes de phosphore, un dopant couramment utilisé, dans une feuille de graphène, une feuille bidimensionnelle d'atomes de carbone disposés en nid d'abeille. Les atomes de phosphore finissent par se substituer aux atomes de carbone dans certaines parties de ce modèle, altérant ainsi l'électronique du matériau, optique, et d'autres propriétés d'une manière qui peut être prédite si les positions de ces atomes sont connues.
Finalement, le but est de déplacer plusieurs atomes de manière complexe. "Nous espérons utiliser le faisceau d'électrons pour déplacer essentiellement ces dopants, pour que nous puissions faire une pyramide, ou un complexe de défauts, où nous pouvons indiquer précisément où se trouve chaque atome, " dit Li.
C'est la première fois que des atomes dopants électroniquement distincts sont manipulés dans le graphène. "Bien que nous ayons déjà travaillé avec des impuretés de silicium, le phosphore est à la fois potentiellement plus intéressant pour ses propriétés électriques et magnétiques, mais comme nous l'avons maintenant découvert, se comporte également de manières étonnamment différentes. Chaque élément peut réserver de nouvelles surprises et possibilités, " ajoute Susi.
Le système nécessite un contrôle précis de l'angle et de l'énergie du faisceau. "Parfois, nous avons des résultats indésirables si nous ne faisons pas attention, " dit-il. Par exemple, parfois un atome de carbone qui était destiné à rester en position « part juste, " et parfois l'atome de phosphore se bloque en position dans le réseau, et "alors, peu importe comment nous modifions l'angle du faisceau, nous ne pouvons pas affecter sa position. Nous devons trouver une autre balle."
Cadre théorique
En plus des tests expérimentaux détaillés et de l'observation des effets des différents angles et positions des faisceaux et du graphène, l'équipe a également conçu une base théorique pour prédire les effets, appelé formalisme spatial d'entraînement primaire, qui suit l'élan du « ballon de football ». "Nous avons fait ces expériences et avons également donné un cadre théorique sur la façon de contrôler ce processus, " dit Li.
La cascade d'effets qui résulte du faisceau initial se déroule sur plusieurs échelles de temps, Li dit, ce qui rendait les observations et les analyses délicates à réaliser. La collision initiale réelle de l'électron relativiste (se déplaçant à environ 45 pour cent de la vitesse de la lumière) avec un atome a lieu sur une échelle de zeptosecondes - des billions de milliardièmes de seconde - mais le mouvement et les collisions d'atomes qui en résultent dans le réseau se déroule sur des échelles de temps de picosecondes ou plus, des milliards de fois plus longtemps.
Les atomes dopants tels que le phosphore ont un spin nucléaire non nul, qui est une propriété clé nécessaire pour les dispositifs quantiques car cet état de spin est facilement affecté par des éléments de son environnement tels que les champs magnétiques. Donc la capacité de placer ces atomes avec précision, en termes de position et de liaison, pourrait être une étape clé vers le développement de dispositifs de traitement ou de détection de l'information quantique, dit Li.
Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.
