電子束操縱單原子，“原子工程”新時代開啓_風聞
Science_北京-不惧过往，不畏将来！2019-05-21 14:24
編譯／雷鑫宇 審稿／西莫 責編／唐林芳
研究人員利用高度聚焦電子束成功控制了單個原子的去向，這對量子設備和傳感器的製造有重要推動作用。
石墨烯中競爭實驗的磷摻雜動力學及其控制。
工程的“終極控制度”是指能在最基本的層次上，通過精確的控制方式逐個原子地製造和操控材料的能力。phys.org網站報道，《科學進展》雜誌發文稱，美國麻省理工學院（MIT）和奧地利維也納大學（UV）等已經朝着這個方向邁出了重要一步。他們開發了一種方法，可以利用高度聚焦的電子束重新定位原子，並控制它們的確切位置和成鍵方向。
研究人員認為，這一成果有望促成製造量子設備或傳感器的新方法，並開啓“原子工程”新時代。
MIT核科學與工程、材料科學與工程研究人員、論文作者Ju Li解釋説：“我們已經有了很多基於納米技術的工具。但是在這項新研究中，這類工具被用於控制比之前更小一個數量級的過程。我們的目標是對一到上百個原子的位置、電荷態和自旋態等進行精確控制。”
此前，雖然也有其他研究人員操縱過單個原子，甚至在表面上擺放出了一個整齊的原子圈，但這個過程需要使用掃描隧道顯微鏡的探針尖端“拾起”單原子，然後再把它放到既定位置。這是一個相對緩慢的機械過程。
新方法利用掃描透射電鏡的電子束操控原子，整個過程完全由磁透鏡進行電子控制，不涉及機械運動部件。這使得操作速度大大提升了，更具實際應用性。
Li説：“在電子控制和人工智能的幫助下，我們有可能在微秒級的時間尺度上操縱原子。新方法比機械過程的控制速度快好幾個數量級，並且具備多電子束同時操作的可能性。”UV教授、論文作者Toma Susi補充説：“這是一個振奮人心的原子級操作新範例。”
計算機芯片通常是由硅晶體和“摻雜”原子構成的。在“摻雜”過程中，摻雜原子的去向難以精確控制，而新方法能實現精確定位。
Li等利用高度聚焦的電子束產生的能量將原子“撞出”原有位置，然後用磷原子進行摻雜。Li將這個過程比喻為“踢原子足球”。他説：“雖然情況不是決定性的，但是你可以控制概率。就像踢足球，球員總會想方設法將足球送進球門。我們的最終目標是以複雜的方式一次性移動多個原子，以製造出金字塔結構或缺陷複合體。”
Susi補充説：“這是首次在石墨烯材料中操縱電子不同的摻雜原子。磷的電性能和磁性能非常有趣。當然，每種元素都有可能帶來新的驚喜。”
Li強調説，電子束的能量和角度必須精確控制。實驗中，他們除仔細觀測了電子束能量和角度對石墨烯的影響外，還提出了一種預測理論。研究人員認為，Li等的研究不僅提供了實驗依據，還構建了初步的理論框架，後續研究將因此受益匪淺。
來源：《科學進展》
期刊編號：2375-2548
原文鏈接：
https://phys.org/news/2019-05-atoms-electron.html
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