Uma nova técnica que incita átomos individuais a trocar de lugar dentro de um material atomicamente fino poderia trazer os cientistas mais um passo para realizar a visão do físico teórico Richard Feynman de construir máquinas minúsculas do átomo para cima.

Um impulso significativo para desenvolver materiais que aproveitem a natureza quântica dos átomos está levando à necessidade de métodos para construir sensores e eletrônicos atomicamente precisos. A fabricação de dispositivos em nanoescala átomo a átomo requer delicadeza e precisão, que foi demonstrado por uma equipe de microscopia do Laboratório Nacional de Oak Ridge, do Departamento de Energia.

Eles usaram um microscópio eletrônico de transmissão de varredura, ou STEM, no Centro de Ciências de Materiais Nanofásicos do laboratório para introduzir átomos de silício em uma folha de grafeno com a espessura de um átomo. À medida que o feixe de elétrons varre o material, sua energia perturba ligeiramente a estrutura molecular do grafeno e cria espaço para um átomo de silício próximo trocar de lugar com um átomo de carbono.

"Observamos uma reação química assistida por feixe de elétrons induzida em um único átomo e nível de ligação química, e cada etapa foi capturada pelo microscópio, o que é raro, "disse Ondrej Dyck do ORNL, co-autor de um estudo publicado na revista Pequena que detalha a demonstração STEM.

Usando este processo, os cientistas foram ainda capazes de trazer dois, três e quatro átomos de silício juntos para construir aglomerados e fazê-los girar dentro da camada de grafeno. O grafeno é bidimensional, ou 2-D, camada de átomos de carbono que exibe força sem precedentes e alta condutividade elétrica. Dyck disse que selecionou grafeno para este trabalho, porque "é robusto contra um feixe de elétrons de 60 quilovolts".

"Podemos olhar para o grafeno por longos períodos de tempo sem prejudicar a amostra, em comparação com outros materiais 2-D, como monocamadas de dichalcogeneto de metal de transição, que tendem a se desfazer mais facilmente sob o feixe de elétrons, " ele adicionou.

O STEM surgiu nos últimos anos como uma ferramenta viável para manipular átomos em materiais, preservando a estabilidade da amostra.

Dyck e colegas do ORNL, Sergei Kalinin, Albina Borisevich e Stephen Jesse estão entre os poucos cientistas que estão aprendendo a controlar o movimento de átomos individuais em materiais 2-D usando o STEM. Seu trabalho apoia uma iniciativa liderada pelo ORNL, cunhada The Atomic Forge, que incentiva a comunidade da microscopia a reimaginar o STEM como um método para construir materiais do zero.

Os campos da nanociência e nanotecnologia experimentaram um crescimento explosivo nos últimos anos. Um dos primeiros passos em direção à ideia de Feynman de construir minúsculas máquinas átomo por átomo - uma continuação de sua teoria original de manipulação atômica apresentada pela primeira vez durante sua famosa palestra de 1959 - foi semeada pelo trabalho do colega da IBM, Donald Eigler. Ele havia mostrado a manipulação de átomos usando um microscópio de tunelamento de varredura.

"Por décadas, O método de Eigler era a única tecnologia para manipular átomos um por um. Agora, demonstramos uma segunda abordagem com um feixe de elétrons no STEM, "disse Kalinin, diretor do ORNL Institute for Functional Imaging of Materials. Ele e Jesse iniciaram pesquisas com o feixe de elétrons há cerca de quatro anos.

Mover átomos com sucesso no STEM pode ser um passo crucial para a fabricação de dispositivos quânticos, um átomo de cada vez. Os cientistas vão tentar introduzir outros átomos como o fósforo na estrutura do grafeno.

"O fósforo tem potencial porque contém um elétron extra em comparação com o carbono, "Dyck disse." Isso seria ideal para construir um bit quântico, ou qubit, que é a base para dispositivos baseados em quantum. "

Seu objetivo é, eventualmente, construir um protótipo de dispositivo no STEM.

Dyck alertou que, embora a construção de um qubit a partir de grafeno dopado com fósforo esteja no horizonte, como o material se comportaria em temperaturas ambientes - fora do STEM ou de um ambiente criogênico - permanece desconhecido.

"Descobrimos que expor o grafeno dopado com silício para o mundo externo causa impacto nas estruturas, " ele disse.

Eles continuarão a experimentar maneiras de manter o material estável em ambientes não laboratoriais, que é importante para o sucesso futuro das estruturas atomicamente precisas construídas com STEM.

"Ao controlar a matéria em escala atômica, vamos trazer o poder e o mistério da física quântica para dispositivos do mundo real, "Jesse disse.