Des chercheurs de la Faculté de physique de l'Université de Vienne, en collaboration avec des collègues du Laboratoire national d'Oak Ridge aux États-Unis, ont découvert un mécanisme non destructif pour manipuler les impuretés des donneurs dans le silicium en utilisant une irradiation électronique focalisée. Dans ce nouveau processus d'échange indirect, non pas un mais deux atomes de silicium voisins sont impliqués dans une « valse atomique coordonnée, " qui peut ouvrir une voie pour la fabrication de qubits à l'état solide. Les résultats ont été publiés dans le Journal de chimie physique .

L'ingénierie des matériaux à l'échelle atomique est un objectif ultime de la nanotechnologie. Des exemples bien connus de manipulation d'atomes avec la microscopie à effet tunnel vont de la construction de coraux quantiques aux mémoires atomiques réinscriptibles. Cependant, tandis que les techniques de sonde à balayage établies sont des outils capables pour la manipulation des atomes de surface, ils ne peuvent pas atteindre la majeure partie du matériau en raison de leur besoin de mettre une pointe physique en contact avec l'échantillon et nécessitent généralement un fonctionnement et un stockage à des températures cryogéniques.

Les progrès récents de la microscopie électronique à transmission à balayage (STEM) ont suscité un intérêt pour l'utilisation d'un faisceau d'électrons pour la manipulation des atomes, et Vienne a émergé comme l'un des principaux centres de cette recherche dans le monde. "La force unique de cette technique est sa capacité à accéder non seulement aux atomes de surface mais aussi aux impuretés dans les cristaux minces en vrac. Ce n'est pas seulement une possibilité théorique :la première manipulation de preuve de principe des dopants de bismuth dans le silicium a été récemment démontrée par notre collaborateurs américains, " explique Toma Susi.

Le nouveau travail conjoint est une étude de modélisation systématique sur la manipulation par faisceau d'électrons d'éléments dopants du groupe V dans le silicium. Surtout, l'équipe de Vienne a découvert un nouveau type de mécanisme qu'ils appellent l'échange indirect, où non pas un mais deux atomes de silicium voisins sont impliqués dans une "valse" atomique coordonnée, " ce qui explique comment les impacts d'électrons peuvent déplacer ces impuretés dans la masse du réseau de silicium. " Bien que ce mécanisme ne fonctionne que pour les deux éléments donneurs les plus lourds, bismuth et antimoine, il était crucial de trouver qu'il est non destructif, car aucun atome n'a besoin d'être retiré du réseau, ", ajoute Alexandre Markevitch.

Comme une nouvelle avancée expérimentale, l'équipe a pu pour la première fois démontrer la possibilité de manipuler les impuretés d'antimoine dans le silicium à l'aide de STEM. Le positionnement précis des atomes dopants dans les réseaux cristallins pourrait permettre de nouvelles applications dans des domaines tels que la détection à l'état solide et le calcul quantique. Cela peut avoir des implications intéressantes, comme le conclut Susi :"Très récemment, les dopants d'antimoine dans le silicium ont été suggérés comme candidats prometteurs pour les qubits de spin nucléaire à l'état solide, et notre travail peut ouvrir la voie à leur fabrication déterministe."