Ilustração da dinâmica experimental de P dopante em grafeno e seu controle. Os quadros são imagens anulares de campo escuro de ângulo médio, e a identidade química de cada dopante foi confirmada por espectroscopia de perda de energia de elétrons (EELS). (A) Três quadros mostrando uma troca direta entre o átomo P mais brilhante (devido ao seu maior contraste de espalhamento) e um vizinho C, com a inicial (frame 1), transição (quadro 2), e configurações finais (quadro 3). Linhas tracejadas brancas e pretas indicam a linha do feixe de varredura quando a troca acontece. Velocidade de digitalização, 8,4 s por quadro. Nenhum pós-processamento foi feito. (B) Quatro quadros mostrando troca direta (quadros 1 e 2) e transição SW (quadros 2 a 4). Barras de escala, 2 Å. Velocidade de digitalização, 0,07 s por quadro. Um filtro de mediana com um kernel de 2 pixels x 2 pixels foi aplicado para maior clareza. A transição SW foi capturada durante a aquisição do EELS em pequenas janelas de sub-varredura para melhorar a relação sinal-ruído dos espectros usados para identificar os dopantes e para obter quadros de taxa de varredura mais rápidos que podem capturar melhor a dinâmica atômica. (C) átomo C vizinho nocauteado pelo feixe de elétrons, transformando um P triplo coordenado em P coordenado quádruplo Velocidade de varredura, 8 s por quadro. Nenhum pós-processamento foi feito. (D) P dopante sendo substituído por um átomo de C. Velocidade de digitalização, 4 s por quadro. Os diferentes códigos de cores da imagem representam diferentes categorias:cinza representa o processo de conservação de átomos, e magenta representa o processo de não conservação do átomo. Os círculos tracejados em azul e vermelho em (A) e (B) representam os locais de rede desigual do grafeno, e os círculos verdes em (C) e (D) indicam a localização do átomo que não foi conservado. (E e F) Controle intencional sobre a troca direta P. As cruzes amarelas indicam a localização onde o feixe de elétrons foi estacionado por 10 s para mover propositalmente o átomo P por um local da rede. Círculos tracejados em verde e azul indicam os dois locais de redes não equivalentes de grafeno. Inserções:a região de interesse após a aplicação de um filtro gaussiano. (G) Um gráfico esquemático do processo de controle, onde o feixe de elétrons é representado por um cone verde focado no átomo C vizinho. Crédito: Avanços da Ciência (2019). advance.sciencemag.org/content/5/5/eaav2252
O grau máximo de controle para a engenharia seria a capacidade de criar e manipular materiais no nível mais básico, dispositivos de fabricação átomo por átomo com controle preciso.
Agora, cientistas do MIT, a Universidade de Viena, e várias outras instituições deram um passo nessa direção, desenvolver um método que pode reposicionar átomos com um feixe de elétrons altamente focado e controlar sua localização exata e orientação de ligação. A descoberta pode levar a novas maneiras de fazer dispositivos ou sensores de computação quântica, e inaugurar uma nova era de "engenharia atômica, " eles dizem.
O avanço é descrito hoje no jornal Avanços da Ciência , em um artigo do professor de ciência nuclear e engenharia do MIT Ju Li, estudante de graduação Cong Su, Professor Toma Susi da Universidade de Viena, e 13 outros no MIT, a Universidade de Viena, Laboratório Nacional de Oak Ridge, e na China, Equador, e Dinamarca.
"Estamos usando muitas ferramentas da nanotecnologia, "explica Li, que tem um cargo conjunto em ciência e engenharia de materiais. Mas na nova pesquisa, essas ferramentas estão sendo usadas para controlar processos que ainda são uma ordem de magnitude menores. "O objetivo é controlar um a algumas centenas de átomos, para controlar suas posições, controlar seu estado de carga, e controlar seus estados de spin eletrônico e nuclear, " ele diz.
Enquanto outros já manipularam as posições de átomos individuais, até mesmo criando um círculo organizado de átomos em uma superfície, esse processo envolveu pegar átomos individuais na ponta em forma de agulha de um microscópio de tunelamento de varredura e, em seguida, colocá-los na posição, um processo mecânico relativamente lento. O novo processo manipula átomos usando um feixe de elétrons relativístico em um microscópio eletrônico de transmissão de varredura (STEM), portanto, pode ser totalmente controlado eletronicamente por lentes magnéticas e não requer partes móveis mecânicas. Isso torna o processo potencialmente muito mais rápido, e, portanto, pode levar a aplicações práticas.
Usando controles eletrônicos e inteligência artificial, "pensamos que podemos eventualmente manipular átomos em escalas de tempo de microssegundos, "Li diz." Isso é muitas ordens de magnitude mais rápido do que podemos manipulá-los agora com sondas mecânicas. Também, deve ser possível ter muitos feixes de elétrons trabalhando simultaneamente no mesmo pedaço de material. "
"Este é um novo paradigma empolgante para a manipulação de átomos, "Susi diz.
Os chips de computador são normalmente feitos "dopando" um cristal de silício com outros átomos necessários para conferir propriedades elétricas específicas, criando assim "defeitos" no material - regiões que não preservam a estrutura cristalina perfeitamente ordenada do silício. Mas esse processo é disperso, Li explica, portanto, não há como controlar com precisão atômica para onde vão esses átomos dopantes. O novo sistema permite o posicionamento exato, ele diz.
O mesmo feixe de elétrons pode ser usado para tirar um átomo de uma posição e para outra, e, em seguida, "ler" a nova posição para verificar se o átomo acabou onde deveria, Li diz. Embora o posicionamento seja essencialmente determinado por probabilidades e não seja 100 por cento preciso, a capacidade de determinar a posição real torna possível selecionar apenas aqueles que terminaram na configuração correta.
Futebol atômico
O poder do feixe de elétrons com foco muito estreito, quase tão largo quanto um átomo, derruba um átomo de sua posição, e selecionando o ângulo exato do feixe, os pesquisadores podem determinar onde é mais provável que vá. "Queremos usar o feixe para eliminar átomos e, essencialmente, para jogar futebol atômico, "driblando os átomos através do campo de grafeno para sua posição de" objetivo "pretendida, ele diz.
"Como futebol, não é determinístico, mas você pode controlar as probabilidades, "diz ele." Como futebol, você está sempre tentando se mover em direção à meta. "
Nos experimentos da equipe, eles usaram principalmente átomos de fósforo, um dopante comumente usado, em uma folha de grafeno, uma folha bidimensional de átomos de carbono dispostos em um padrão de favo de mel. Os átomos de fósforo acabam substituindo átomos de carbono em partes desse padrão, alterando assim a eletrônica do material, óptico, e outras propriedades de maneiras que podem ser previstas se as posições desses átomos forem conhecidas.
Em última análise, o objetivo é mover vários átomos de maneiras complexas. "Esperamos usar o feixe de elétrons para basicamente mover esses dopantes, para que pudéssemos fazer uma pirâmide, ou algum complexo de defeito, onde podemos afirmar precisamente onde cada átomo se senta, "Li diz.
Esta é a primeira vez que átomos dopantes eletronicamente distintos foram manipulados no grafeno. "Embora já tenhamos trabalhado com impurezas de silício antes, o fósforo é potencialmente mais interessante por suas propriedades elétricas e magnéticas, mas como descobrimos agora, também se comporta de maneiras surpreendentemente diferentes. Cada elemento pode conter novas surpresas e possibilidades, "Susi acrescenta.
O sistema requer controle preciso do ângulo do feixe e da energia. "Às vezes, temos resultados indesejados se não formos cuidadosos, "diz ele. Por exemplo, às vezes, um átomo de carbono que deveria permanecer na posição "apenas sai, "e às vezes o átomo de fósforo fica travado em uma posição na rede, e "então, não importa como mudamos o ângulo do feixe, não podemos afetar sua posição. Temos que encontrar outra bola. "
Quadro teórico
Além de testes experimentais detalhados e observação dos efeitos de diferentes ângulos e posições dos feixes e do grafeno, a equipe também desenvolveu uma base teórica para prever os efeitos, chamado de formalismo espacial primário, que rastreia a dinâmica da "bola de futebol". “Fizemos esses experimentos e também demos um referencial teórico sobre como controlar esse processo, "Li diz.
A cascata de efeitos que resulta do feixe inicial ocorre em várias escalas de tempo, Li diz, o que tornava as observações e análises difíceis de realizar. A colisão inicial real do elétron relativístico (movendo-se a cerca de 45 por cento da velocidade da luz) com um átomo ocorre em uma escala de zeptosegundos - trilionésimos de bilionésimo de segundo - mas o movimento resultante e as colisões de átomos na rede desdobra-se em escalas de tempo de picossegundos ou mais - bilhões de vezes mais.
Os átomos dopantes, como o fósforo, têm um spin nuclear diferente de zero, que é uma propriedade essencial necessária para dispositivos baseados em quantum porque esse estado de spin é facilmente afetado por elementos de seu ambiente, como campos magnéticos. Portanto, a capacidade de colocar esses átomos com precisão, em termos de posição e vínculo, poderia ser um passo fundamental para o desenvolvimento de processamento de informações quânticas ou dispositivos de detecção, Li diz.
Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.
