p A engenharia atômica pode induzir seletivamente dinâmica específica em átomos individuais, seguida por etapas combinadas para formar conjuntos em grande escala depois disso. Em um novo estudo agora publicado em Avanços da Ciência , Cong Su e um internacional, equipe interdisciplinar de cientistas nos departamentos de Ciência dos Materiais, Eletrônicos, Física, Nanociência e tecnologia optoeletrônica; primeiro pesquisou a dinâmica de uma única etapa dos dopantes de grafeno. Eles, então, desenvolveram uma teoria para descrever as probabilidades de resultados configuracionais com base no momento de um átomo primário após a colisão em uma configuração experimental. Su et al. mostrou que a proporção de ramificação prevista de transformação configuracional concordou bem com os experimentos de um único átomo. Os resultados sugerem uma maneira de desviar a dinâmica de um único átomo para um resultado de interesse e abrirão o caminho para projetar e expandir a engenharia atômica usando irradiação de elétrons. p Controlar a estrutura atômica exata dos materiais é uma forma definitiva de engenharia atômica. A manipulação atômica e a montagem átomo por átomo podem criar estruturas funcionais que são sinteticamente difíceis de realizar, posicionando exatamente os dopantes atômicos para modificar as propriedades dos nanotubos de carbono e do grafeno. Por exemplo, em informática quântica, Dopantes de nitrogênio (N) ou fósforo (P) podem ser incorporados devido ao seu spin nuclear diferente de zero. Para conduzir com sucesso a engenharia atômica experimental, os cientistas devem (1) compreender como a mudança configuracional local desejável pode ser induzida para aumentar a velocidade e a taxa de sucesso do controle, e (2) aumentar a escala dos processos unitários básicos em conjuntos estruturais viáveis ​​contendo 1 a 1000 átomos para produzir a funcionalidade desejada.

p Os pesquisadores já haviam usado a microscopia de tunelamento de varredura para demonstrar boas, controle passo a passo de átomos individuais para obter insights físico-químicos e avanços técnicos. Contudo, a escalabilidade e o rendimento da técnica foram severamente limitados pelos movimentos mecânicos da sonda e, portanto, os pesquisadores introduziram a microscopia eletrônica de transmissão de varredura com correção de aberração (STEM) como uma ferramenta versátil para caracterizar a estrutura atômica precisa dos materiais. Embora ainda esteja nos estágios iniciais de desenvolvimento, a técnica mostra uma promessa maior de controlar materiais no nível dos átomos. No grafeno bidimensional (2-D), por exemplo, Os dopantes de silício podem ser controlados passo a passo para iterar as etapas básicas que permitem o movimento de longo alcance com alto rendimento. Resultados semelhantes também foram observados em um cristal de silício 3-D.

p Com a engenharia atômica baseada em STEM, os cientistas pretendem usar o feixe de elétrons e alcançar a mudança configuracional desejada. As desvantagens do método incluem a compreensão imprecisa das colisões elétron-núcleo relativísticas, excitação e relaxamento eletrônicos, trajetórias de íons dinâmicas e incertezas adicionadas.

p No presente trabalho, Su et al. usou o STEM para conduzir e identificar o movimento dos átomos em dopantes de fósforo (P) individuais dentro do grafeno. Seguido pela construção de um esquema teórico para testar as probabilidades relativas dos dopantes, em comparação com a detecção de energia e momento do elétron. Eles categorizaram a dinâmica em quatro grupos:

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1. Troca atômica direta
2. Transição Stone-Wales que conservou os átomos (causando substâncias químicas importantes, alterações de propriedades elétricas e mecânicas devido ao rearranjo atômico.)
3. Knockout de um vizinho de carbono C, e
4. Substituição do átomo dopante por carbono C, o que não conservou a composição local do material.

p Os cientistas usaram um feixe de energia de elétrons de 60 eV e maximizaram as taxas de troca direta e transição SW durante a colisão elétron-átomo. Su et al. usou carbono como o átomo primário (PKA) nos experimentos e manteve uma energia colisional pós-elétron do PKA na ordem de 10 eV. Nos experimentos, eles não apontaram o feixe de elétrons diretamente para o próprio dopante, em vez disso, visando o carbono vizinho do dopante.

p Su et al. em seguida, desenvolveu um esquema teórico no estudo conhecido como "knock-on-space primário" (PKS) para estimar as seções de choque de espalhamento relativo de diversas dinâmicas induzidas por elétrons. Os resultados podem ser variados devido à inclinação da amostra ou do feixe de elétrons para ativar seletivamente o resultado desejado. Os cientistas forneceram verificação experimental adicional dos cálculos, abrindo novos caminhos para a engenharia atômica com irradiação de elétrons focada.

p Na prática, os cientistas pretendem controlar precisamente os átomos e seus estados eletrônicos ou nucleares para aplicações em relógios atômicos e dispositivos de memória atômica. A visão de longo prazo da engenharia atômica é posicionar precisamente os átomos individuais nos estados internos desejados para incluir spin nuclear, em seguida, imagine e controle os conjuntos atômicos de 1 a 1000 átomos.

p Su et al. percebi várias dinâmicas atômicas no presente trabalho, que eles categorizaram como dinâmica de conservação de átomos (desejada) ou dinâmica de não conservação de átomos (não desejada). Para a dinâmica de conservação de átomos, eles incluíram (A) a troca direta entre fósforo (dopante) e carbono. (B) Transição SW com rotação de 90 graus de uma ligação P-C, onde a dinâmica de conservação do átomo incluiu um nocaute de carbono. Então, para a dinâmica não conservadora do átomo, os cientistas incluíram (C) nocaute de PKA usando um feixe de elétrons e (D) substituição do átomo dopante.

p Para explicar os processos atômicos, os cientistas realizaram extensas simulações de dinâmica molecular ab-initio (abMD) e cálculos de banda elástica deslocada de imagem escalada (cNEB). Eles visualizaram a distribuição de uma variedade de dinâmica de dopante P em correspondência com as energias cinéticas pós-colisão iniciais do PKA no grafeno. Os cientistas induziram uma série de colisões com elétrons focados por meio de simulação, esperando chegar experimentalmente a uma configuração predefinida, controlando os feixes de elétrons para a evolução da configuração atômica, com relativa facilidade.

p No estudo, os cientistas começaram com um estado inicial de configuração I _inicial que foi precisamente imageada em sua trajetória desejada de configurações intermediárias para finalmente chegar a I _final ; muito parecido com um cubo de Rubik, mas com probabilidades. Su et al. equilibrou o "risco" e a "velocidade" ao jogar o jogo, como o sistema atômico pode conter estados de armadilha (I _armadilha ) para atrasar severamente a chegada da configuração atômica para I _final ou tornar sua realização improvável. Os cientistas também compararam a natureza probabilística do processo a um jogo de futebol; onde eles usaram a predição computacional e a taxa de transição absoluta para projetar de forma otimizada o risco total / redução de velocidade no experimento.

p Uma vez que o processo de previsão e comparação das seções transversais de espalhamento de processos dinâmicos é essencial para a engenharia atômica, Su et al. desenvolveu um formalismo PKS (knock-on-space primário). Com base nisso, os cientistas mostraram que a distribuição de momentum de PKA tinha um perfil ovóide após uma colisão de elétrons, onde a forma mudou em relação à energia e direção de um elétron de entrada e devido ao momento pré-colisional do átomo. Os cientistas propõem o uso de aprendizado de máquina e inteligência artificial, para entender os processos de unidade e montagem no futuro. No presente trabalho, os cientistas usaram uma árvore de decisão para prever os possíveis caminhos da evolução durante a engenharia atômica, onde o nó raiz indicou a estrutura inicial e os nós filhos inferiram os próximos resultados possíveis.

p Desta maneira, Su et al. revelou a física da engenharia atômica e usou uma estrutura computacional / analítica como base para desenvolver outras técnicas para controlar a dinâmica de um único átomo em materiais 3-D. Os cientistas pretendem, em última instância, aumentar a escala de vários átomos a partir de um único átomo para reunir 1-1000 átomos em uma configuração desejada em alta velocidade e eficácia. p © 2019 Science X Network