Une nouvelle technique qui pousse des atomes uniques à changer de place dans un matériau atomiquement mince pourrait rapprocher les scientifiques de la vision du physicien théoricien Richard Feynman de construire de minuscules machines à partir de l'atome.

Un effort important pour développer des matériaux qui exploitent la nature quantique des atomes entraîne le besoin de méthodes pour construire des capteurs et des composants électroniques de précision atomique. La fabrication de dispositifs nanométriques atome par atome demande de la délicatesse et de la précision, ce qui a été démontré par une équipe de microscopie du laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie.

Ils ont utilisé un microscope électronique à balayage à transmission, ou STEM, au Center for Nanophase Materials Sciences du laboratoire pour introduire des atomes de silicium dans une feuille de graphène d'une épaisseur d'un seul atome. Lorsque le faisceau d'électrons balaie le matériau, son énergie perturbe légèrement la structure moléculaire du graphène et crée de la place pour qu'un atome de silicium voisin puisse échanger sa place avec un atome de carbone.

"Nous avons observé une réaction chimique assistée par faisceau d'électrons induite à un seul atome et au niveau de la liaison chimique, et chaque étape a été capturée par le microscope, ce qui est rare, " a déclaré Ondrej Dyck de l'ORNL, co-auteur d'une étude publiée dans la revue Petit qui détaille la démonstration STEM.

En utilisant ce processus, les scientifiques ont en outre pu en apporter deux, trois et quatre atomes de silicium ensemble pour former des amas et les faire tourner dans la couche de graphène. Le graphène est un bidimensionnel, ou 2-D, couche d'atomes de carbone qui présente une force sans précédent et une conductivité électrique élevée. Dyck a déclaré avoir sélectionné le graphène pour ce travail, car "il est robuste contre un faisceau d'électrons de 60 kilovolts".

"Nous pouvons regarder le graphène pendant de longues périodes sans endommager l'échantillon, par rapport à d'autres matériaux 2-D tels que les monocouches de dichalcogénure de métal de transition, qui ont tendance à se désagréger plus facilement sous le faisceau d'électrons, " il ajouta.

STEM est apparu ces dernières années comme un outil viable pour manipuler les atomes dans les matériaux tout en préservant la stabilité de l'échantillon.

Dyck et ses collègues de l'ORNL Sergueï Kalinine, Albina Borisevich et Stephen Jesse sont parmi les rares scientifiques à apprendre à contrôler le mouvement d'atomes isolés dans des matériaux 2D à l'aide du STEM. Leur travail soutient une initiative dirigée par l'ORNL appelée The Atomic Forge, qui encourage la communauté de la microscopie à réinventer STEM comme une méthode pour construire des matériaux à partir de zéro.

Les domaines des nanosciences et des nanotechnologies ont connu une croissance explosive ces dernières années. L'une des premières étapes vers l'idée de Feynman de construire de minuscules machines atome par atome - une suite de sa théorie originale de la manipulation atomique présentée pour la première fois lors de sa célèbre conférence de 1959 - a été semée par les travaux de son collègue d'IBM Donald Eigler. Il avait montré la manipulation d'atomes à l'aide d'un microscope à effet tunnel.

"Depuis des décennies, La méthode d'Eigler était la seule technologie à manipuler les atomes un par un. Maintenant, nous avons démontré une seconde approche avec un faisceau d'électrons dans le STEM, " dit Kalinine, directeur de l'Institut ORNL pour l'imagerie fonctionnelle des matériaux. Lui et Jesse ont lancé des recherches avec le faisceau d'électrons il y a environ quatre ans.

Le déplacement réussi des atomes dans le STEM pourrait être une étape cruciale vers la fabrication de dispositifs quantiques, un atome à la fois. Les scientifiques tenteront ensuite d'introduire d'autres atomes tels que le phosphore dans la structure du graphène.

"Le phosphore a du potentiel car il contient un électron supplémentaire par rapport au carbone, " Dyck a déclaré. "Ce serait idéal pour construire un bit quantique, ou qubit, qui est la base des dispositifs quantiques."

Leur objectif est de construire à terme un prototype d'appareil dans le STEM.

Dyck a averti que tout en construisant un qubit à partir de graphène dopé au phosphore est à l'horizon, comment le matériau se comporterait à des températures ambiantes - en dehors du STEM ou d'un environnement cryogénique - reste inconnu.

"Nous avons découvert que l'exposition du graphène dopé au silicium au monde extérieur a un impact sur les structures, " il a dit.

Ils continueront à expérimenter des moyens de maintenir la stabilité du matériau dans des environnements non-laboratoires, ce qui est important pour le succès futur des structures atomiquement précises construites par STEM.

"En contrôlant la matière à l'échelle atomique, nous allons apporter la puissance et le mystère de la physique quantique aux appareils du monde réel, " dit Jesse.