Richard Feynman a posé la fameuse question en 1959 :est-il possible de voir et de manipuler des atomes individuels dans des matériaux ? Pendant un certain temps, sa vision a semblé plus de la science-fiction que de la science, mais à partir d'expériences révolutionnaires à la fin des années 1980 et de développements plus récents dans l'instrumentation de microscopie électronique, il est devenu une réalité scientifique. Cependant, les dommages causés par le faisceau d'électrons sont souvent un problème dans de telles expériences.

La présente étude s'est concentrée sur le graphène monocouche avec des atomes de silicium intégrés dans le réseau, précédemment créé et étudié par les collaborateurs de Manchester et Daresbury au Royaume-Uni. En raison de la plus grande taille du silicium par rapport au carbone, ces atomes dopants dépassent du plan, ce qui permet une dynamique intéressante sous le faisceau d'électrons. Les simulations détaillées effectuées à l'Université de Vienne ont montré que les électrons de 60 kiloélectronvolts que les microscopes Nion de pointe des deux équipes utilisent pour imager la structure ne sont pas assez énergétiques pour provoquer probablement l'éjection pure et simple d'atomes, conforme à ce qui avait été observé.

Surtout, cependant, les atomes de carbone à côté d'un dopant de silicium sont légèrement moins fortement liés, et peuvent recevoir juste assez de coups de pied pour qu'ils s'échappent presque du treillis, mais sont recapturés en raison d'une interaction attractive avec l'atome de silicium. Pendant ce temps, le silicium se détend dans la position de réseau laissée vide par l'atome de carbone impacté, qui atterrit ainsi dans le réseau du côté opposé à celui où il a commencé. En effet, la liaison silicium-carbone est inversée, qui a été vu directement par les équipes de microscopie. L'analyse des données expérimentales de près de 40 de ces sauts a donné une probabilité directement comparable aux simulations, avec un accord remarquable.

En plus d'être une belle physique, les découvertes ouvrent des possibilités prometteuses pour l'ingénierie à l'échelle atomique :"Ce qui rend nos résultats vraiment intrigants, c'est que le retournement de la liaison est directionnel - le silicium se déplace pour remplacer l'atome de carbone qui a été touché par un électron de sonde", explique l'auteur principal Toma Susi, physicienne et FWF Lise Meitner Fellow à l'Université de Vienne. "Cela signifie qu'il devrait être possible de contrôler le mouvement d'un ou plusieurs atomes de silicium dans le réseau avec une précision atomique. Alors peut-être verrons-nous un nouveau type de corral quantique ou un logo universitaire composé d'atomes de silicium dans le graphène dans le proche futur", conclut-il.