Das „Schreiben“ mit Atomen könnte die Herstellung von Materialien für Quantengeräte verändern

Neue Technologien zur kontinuierlichen Platzierung einzelner Atome genau dort, wo sie benötigt werden, könnten zu neuen Materialien für Geräte führen, die kritische Anforderungen im Quantencomputer und in der Kommunikation erfüllen, die mit herkömmlichen Mitteln nicht hergestellt werden können, sagen die Wissenschaftler, die sie entwickelt haben.

Ein Forschungsteam am Oak Ridge National Laboratory des US-Energieministeriums hat ein neues, fortschrittliches Mikroskopiewerkzeug entwickelt, um mit Atomen zu „schreiben“ und diese Atome genau dort zu platzieren, wo sie benötigt werden, um einem Material neue Eigenschaften zu verleihen.

„Indem wir auf atomarer Ebene arbeiten, arbeiten wir auch auf der Ebene, in der Quanteneigenschaften auf natürliche Weise entstehen und bestehen bleiben“, sagte Stephen Jesse, ein Materialwissenschaftler, der diese Forschung leitet und die Abteilung für Nanomaterialcharakterisierungen am Science Center von Nanophasenmaterialien leitet , oder CNMS.

„Wir wollen diesen verbesserten Zugang zum Quantenverhalten als Grundlage für zukünftige Geräte nutzen, die einzigartige Quantenphänomene wie die Verschränkung nutzen, um Computer zu verbessern, sicherere Kommunikation zu schaffen und die Empfindlichkeit von Detektoren zu verbessern.“ »

Um eine bessere Kontrolle über Atome zu erreichen, entwickelte das Forschungsteam ein Werkzeug namens Syntheskop, das die Kombination von Synthese mit fortschrittlicher Mikroskopie ermöglicht. Forscher verwenden ein Rastertransmissionselektronenmikroskop (STEM), das in eine Plattform zur Manipulation von Materialien im atomaren Maßstab umgewandelt wurde.

Das Synthoskop wird den Stand der Technik in der Fertigung bis auf die Ebene einzelner Materialbausteine ​​vorantreiben. Dieser neue Ansatz ermöglicht es Forschern, verschiedene Atome in einem Material an bestimmten Stellen zu platzieren; Die neuen Atome und ihre Standorte können ausgewählt werden, um dem Material neue Eigenschaften zu verleihen.

„Klassische Computer nehmen Bits, die 0 oder 1 sein können, und führen Berechnungen durch, indem sie diese Bits invertieren“, sagt Ondrej Dyck, ein ORNL-Materialwissenschaftler, der an der Forschung beteiligt war. „Quantencomputer verwenden Qubits, die sowohl 0 als auch 1 sein können. Qubits können sich auch verschränken, wobei ein Qubit mit dem Zustand eines anderen verbunden ist.“ Mit diesem System verschränkter Qubits können bestimmte Probleme viel schneller gelöst werden als mit klassischen Computern. Der schwierige Teil besteht darin, diese empfindlichen Qubits stabil zu halten und dafür zu sorgen, dass sie in der realen Welt ordnungsgemäß funktionieren.

„Eine Strategie zur Bewältigung dieser Herausforderungen besteht darin, auf der Ebene zu bauen und zu arbeiten, auf der die Quantenmechanik natürlicher existiert, nämlich auf atomarer Ebene. Wir erkannten, dass wir, wenn wir ein Mikroskop hätten, das Atome auseinander sehen könnte, möglicherweise dasselbe Mikroskop verwenden könnten, um Atome zu bewegen oder Materialien mit atomarer Präzision zu modifizieren. Wir möchten auch in der Lage sein, den von uns geschaffenen Strukturen Atome hinzuzufügen, daher benötigen wir einen Vorrat an Atomen. Die Idee verwandelte sich in eine Syntheseplattform im atomaren Maßstab: das Synthoskop. »

Dies ist ein wichtiger Punkt, da die Fähigkeit, Materialien Atom für Atom anzupassen, auf viele zukünftige technologische Anwendungen im Bereich des Quantencomputings und allgemeiner in der Mikroelektronik und Katalyse angewendet werden kann und ein besseres Verständnis der Materialsyntheseprozesse erlangt. Diese Arbeit könnte die Herstellung im atomaren Maßstab erleichtern, was bekanntermaßen schwierig ist.

„Aufgrund der einfachen Tatsache, dass wir Atome jetzt platzieren können, wo immer wir wollen, können wir darüber nachdenken, Netzwerke von Atomen zu schaffen, die genau nahe genug beieinander positioniert sind, um sich zu verschränken und somit ihre Quanteneigenschaften zu teilen, was für die Leistungsfähigkeit von Quantengeräten unerlässlich ist.“ als herkömmliche Geräte“, sagte Dyck.

Zu solchen Geräten könnten Quantencomputer (eine neue Generation von Computern, die die schnellsten Supercomputer von heute bei weitem übertreffen könnten), Quantensensoren und Quantenkommunikationsgeräte gehören, die eine einzige Photonenquelle benötigen, um ein sicheres Quantenkommunikationssystem zu schaffen.

„Wir bewegen nicht nur Atome“, sagt Jesse. „Wir zeigen, dass wir einem Material eine Vielzahl von Atomen hinzufügen können, die vorher nicht vorhanden waren, und sie dort platzieren können, wo wir sie haben möchten. Derzeit gibt es keine Technologie, die es uns ermöglicht, verschiedene Elemente genau dort zu platzieren, wo wir sie haben möchten, und die richtige Verbindung und Struktur zu erhalten. Mit dieser Technologie könnten wir Strukturen aus dem Atom aufbauen, die auf ihre elektronischen, optischen, chemischen oder strukturellen Eigenschaften ausgelegt sind. »

Die Wissenschaftler, Teil von CNMS, einem nanowissenschaftlichen Forschungszentrum und Benutzerzentrum des DOE Office of Science, erläuterten ihre Forschung und Vision in einer Reihe von vier Artikeln, die im Laufe eines Jahres in wissenschaftlichen Fachzeitschriften veröffentlicht wurden, beginnend mit dem Beweis des Prinzips des Synthoskops gemacht werden könnte. Sie haben die Technologie zum Patent angemeldet.

„Mit diesen Arbeiten richten wir das Design der Fertigung im atomaren Maßstab mithilfe von Elektronenstrahlen neu aus“, sagte Dyck. „Zusammengenommen beschreiben diese Manuskripte, was unserer Meinung nach die Richtung ist, die die Atomfertigungstechnologie in naher Zukunft einschlagen wird, und den konzeptionellen Wandel, der erforderlich ist, um dieses Gebiet voranzubringen.“ »

Mithilfe eines Elektronenstrahls oder Elektronenstrahls zum Entfernen und Ablagern von Atomen konnten ORNL-Wissenschaftler einen direkten Schreibvorgang auf atomarer Ebene durchführen.

„Der Prozess ist bemerkenswert intuitiv“, sagte Andrew Lupini, Leiter der STEM-Gruppe des ORNL und Mitglied des Forschungsteams. „STEM funktioniert, indem es einen hochenergetischen Elektronenstrahl durch ein Material sendet. Der Elektronenstrahl wird auf einen Punkt fokussiert, der kleiner als der Abstand zwischen Atomen ist, und tastet das Material ab, um ein Bild mit atomarer Auflösung zu erzeugen. Es ist jedoch bekannt, dass STEM genau die Materialien beschädigt, die es abbildet. »

Wissenschaftler erkannten, dass sie diesen zerstörerischen „Bug“ ausnutzen und ihn als konstruktive Funktion nutzen konnten, um absichtlich Löcher zu erzeugen. Sie können dann jedes gewünschte Atom in dieses Loch platzieren, genau dort, wo sie den Defekt erzeugt haben. Indem sie das Material absichtlich beschädigen, schaffen sie ein neues Material mit anderen und nützlichen Eigenschaften.

„Wir suchen nach Methoden, um diese Defekte bei Bedarf zu erzeugen, damit wir sie dort platzieren können, wo wir sie haben wollen“, sagte Jesse. „Da STEM über Abbildungsfunktionen im atomaren Maßstab verfügt und wir mit sehr dünnen Materialien arbeiten, die nur wenige Atome dick sind, können wir jedes Atom sehen. Daher manipulieren wir Materie auf atomarer Ebene in Echtzeit. Das ist das Ziel, und wir erreichen es. »

Um diese Methode zu demonstrieren, bewegten die Forscher einen Elektronenstrahl über ein Graphengitter hin und her und erzeugten so winzige Löcher. In diese Löcher fügten sie Zinnatome ein und erreichten so einen direkten Schreibvorgang, Atom für Atom, und besetzten so genau die Stellen, an denen sich das Kohlenstoffatom befand, mit Zinnatomen.

„Wir glauben, dass Syntheseprozesse im atomaren Maßstab mit relativ einfachen Strategien zur Routine werden könnten. In Kombination mit automatisierter Strahlsteuerung und KI-gesteuerter Analyse und Entdeckung bietet das Synthoskop-Konzept einen Einblick in atomare Syntheseprozesse und einen einzigartigen Ansatz für die Herstellung im atomaren Maßstab“, sagte Jesse.