Исследовательская группа создала 40 000 квантовых дефектов в полупроводниковом кристалле всего за 40 минут.
Группа исследователей из Массачусетского технологического института (MIT) и Национальной лаборатории Ок-Ридж (ORNL) в США нашла способ точно перемещать десятки тысяч атомов за считанные минуты с помощью электронного пучка при комнатной температуре, что открывает путь к усовершенствованию квантовых систем, таких как детекторы и датчики.
Почти 40 лет назад исследователи из IBM использовали сканирующий туннельный микроскоп, чтобы расположить 35 атомов на поверхности кристалла так, чтобы получилось слово IBM. Это был первый случай, когда людям удалось точно расположить атомы, и это положило начало квантовому путешествию для ученых, которые затем создали специфические дефекты, такие как вакансии размером с атом и поверхностные атомы в кристаллических материалах.
Впоследствии были предприняты другие достижения, такие как использование оптических пинцетов и осциллирующих электрических полей, для захвата нейтральных атомов или ионов. Однако до сих пор эти достижения ограничивались либо сверхнизкими температурами в лабораторных условиях, либо движением атомов в двух измерениях. Работа исследователей из Массачусетского технологического института может произвести революцию в квантовых исследованиях и их применении, поскольку теперь атомы можно перемещать не только в трех измерениях, но и при комнатной температуре.
Как им это удалось?
Используя высокопроизводительные микроскопы в ORNL, исследователи применили сложный набор алгоритмов для направления электронного пучка с точностью до нескольких пикометров на целевой атом. Следуя по замкнутому контуру для точного наведения на цель, пучок затем направляет электроны через материал по заданной осциллирующей траектории.
Движение пучка перемещает целые столбцы атомов в новые места, подобно тому, как мы проводим пальцем по экрану смартфона. Электроны помогают определить местоположение пучка в материале.
«Секрет заключается в использовании очень небольшого количества электронов в процессе получения этой информации, поэтому весь процесс проходит быстро и не приводит к непреднамеренному повреждению кристалла», — объяснил Джулиан Кляйн, исследователь из Массачусетского технологического института, который разработал и руководил проектом.
В своих экспериментах исследователи успешно управляли движением столбцов атомов хрома в полупроводниковом материале толщиной 13 нанометров. Образовавшиеся в материале вакансии размером с атом при взаимодействии со смещенным атомом придавали материалу экзотические квантовые свойства.
Масштабируемый, футуристический
Интересно, что исследовательская группа создала 40 000 квантовых дефектов в кристалле всего за 40 минут. Для сравнения, исследователям из IBM потребовались часы, чтобы переместить эти 35 атомов. Это демонстрирует масштабируемость подхода.
«Это как фотокопировальный аппарат, способный создавать столбцы идентичных атомных дефектов», — добавила Фрэнсис Росс, профессор материаловедения и инженерии в Массачусетском технологическом институте, в пресс-релизе.
«Это особенно полезно, потому что можно перемещать несколько атомов, чтобы создавать дефекты, и делать это снова и снова, чтобы строить атомные структуры в трех измерениях, обладающие настраиваемыми функциями в системе, которая более устойчива, поскольку дефекты находятся под поверхностью».
Однако исследователи также опасаются за эффективность используемого ими полупроводникового материала, поскольку хром обладает уникальной электронной структурой. Поэтому они также работают над определением того, с какими другими материалами этот подход будет работать.
«Перемещение атомов внутри твердых тел позволяет создавать квантовые свойства в материалах, стабильных на воздухе вне вакуумных условий», — объяснил Кляйн. «Этот подход также масштабируем для множества атомных манипуляций, поэтому перемещение тысяч или миллионов атомов для создания искусственных структур будет представлять собой совершенно новую физику».
Данная технология закладывает основу для программируемой материи, что в будущем может привести к разработке стабильных квантовых устройств.
Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature.
Sourse: interestingengineering.com
