Assemblage automatisé d'atomes de cobalt individuels sur une surface de cuivre atomiquement plate en formes géométriques simples, un carré, un triangle, et un cercle. De gauche à droite, chaque figure montre la configuration après chaque mouvement d'atome. Taille de l'image 15 nm × 15 nm. Au centre :Assemblage parfait du logo NIST après quatre étapes d'assemblage automatisé. Taille de l'image 40 nm × 17 nm. Toutes les images sont affichées en vue de dessus 3D colorée avec une ombre légère avec une plage de hauteur de ≈100 pm.
Des chercheurs du NIST ont démontré l'assemblage autonome contrôlé par ordinateur d'atomes en nanostructures parfaites à l'aide d'un microscope à effet tunnel à basse température. Les résultats, publié dans un article invité dans le Examen des instruments scientifiques , montrent la construction sans intervention humaine de nanostructures bidimensionnelles confinées quantiques à l'aide d'atomes ou de molécules uniques sur une surface de cuivre.
Un objectif majeur de la nanotechnologie est de développer des technologies dites "bottom up" pour agencer la matière à volonté en plaçant les atomes exactement là où on le souhaite afin de construire des nanostructures avec des propriétés ou des fonctions spécifiques. Les chercheurs, dirigé par Robert Celotta et Joseph Stroscio du CNST, ont démontré les premières étapes vers la réalisation de cette capacité en utilisant le mode de manipulation d'atomes d'un microscope à effet tunnel (STM) en combinaison avec des algorithmes de mouvement autonomes.
L'équipe, qui comprend Stephen Balakirsky (précédemment à EL et maintenant à Georgia Tech), Aaron Fein (PML), Frank Hess (précédemment au CNST), et Gregory Rutter (précédemment au CNST et maintenant chez Intel), utilisé des algorithmes autonomes pour manipuler des atomes et des molécules uniques, un peu comme les algorithmes pour la conduite automobile "mains libres". Le système fonctionne en balayant d'abord les emplacements des atomes disponibles sur la surface. Il précise ensuite les coordonnées souhaitées des atomes d'une nanostructure, et calcule et dirige de manière autonome les trajectoires de la pointe de la sonde STM pour déplacer tous les atomes vers les emplacements souhaités.
L'équipe a pu démontrer qu'elle pouvait construire de manière autonome des atomes de cobalt dans des nanostructures qui confinent les propriétés quantiques des électrons de surface du cuivre. Il a ensuite utilisé le STM pour mesurer ces propriétés. En plus de démontrer la construction de nanostructures faites d'atomes, ils ont démontré qu'il était possible de construire des réseaux à l'échelle nanométrique constitués de molécules de monoxyde de carbone et de fabriquer sur mesure des points quantiques interactifs formés à partir de lacunes dans les réseaux de monoxyde de carbone.
Les chercheurs pensent qu'une approche basée sur la construction autonome d'atomes et de molécules à l'aide de cette technique pourrait être la base d'une boîte à outils facilement accessible pour produire des états quantiques sur mesure avec des applications dans le traitement de l'information quantique et la nanophotonique.
