Modellering onthult een ‘atomaire wals’ voor atoommanipulatie

Onderzoekers aan de Universiteit van Wenen’De Faculteit der Natuurkunde heeft in samenwerking met collega’s van het Oak Ridge National Laboratory in de VS een niet-destructief mechanisme ontdekt om donoronzuiverheden in silicium te manipuleren met behulp van gerichte elektronenbestraling. In dit nieuwe indirecte uitwisselingsproces zijn niet één maar twee aangrenzende siliciumatomen betrokken bij een gecoördineerde atomaire “wals”, die een pad kan openen voor de fabricage van vastestofqubits. De resultaten zijn gepubliceerd in de Journal of Physical Chemistry.

Technische materialen op atomaire schaal is een ultiem doel van nanotechnologie. Bekende voorbeelden van atoommanipulatie met scanning tunneling microscopie variëren van de constructie van kwantumkoralen tot herschrijfbare atoomgeheugens. Hoewel gevestigde scanning-sondetechnieken capabele hulpmiddelen zijn voor het manipuleren van oppervlakte-atomen, kunnen ze het grootste deel van het materiaal niet bereiken vanwege hun noodzaak om een ​​fysieke punt in contact te brengen met het monster en vereisen ze gewoonlijk bediening en opslag bij cryogene temperaturen.

Recente ontwikkelingen in scanning-transmissie-elektronenmicroscopie (STEM) hebben de belangstelling gewekt voor het gebruik van een elektronenbundel voor atoommanipulatie, en Wenen is naar voren gekomen als een van de toonaangevende centra van dit onderzoek wereldwijd. “De unieke kracht van deze techniek is het vermogen om niet alleen toegang te krijgen tot oppervlakte-atomen, maar ook tot onzuiverheden in dunne bulkkristallen. Dit is niet alleen een theoretische mogelijkheid: de eerste proof-of-principle manipulatie van bismutdoteringsmiddelen in silicium werd onlangs aangetoond door onze Amerikaanse medewerkers”, legt Toma Susi uit.

Het nieuwe gezamenlijke werk is een systematische modelleringsstudie naar de elektronenbundelmanipulatie van groep V-doteringselementen in silicium. Cruciaal was dat het team van Wenen een nieuw soort mechanisme ontdekte dat ze indirecte uitwisseling noemen, waarbij niet één maar twee aangrenzende siliciumatomen betrokken zijn bij een gecoördineerde atomaire “wals”, wat verklaart hoe elektroneninslagen deze onzuiverheden in het grootste deel van het siliciumrooster kunnen verplaatsen . “Hoewel dit mechanisme alleen werkt voor de twee zwaardere donorelementen, bismut en antimoon, was het cruciaal om te ontdekken dat het niet-destructief is, omdat er geen atomen uit het rooster hoeven te worden verwijderd”, voegt Alexander Markevich eraan toe.

Als een verdere experimentele vooruitgang was het team voor het eerst in staat om de mogelijkheid aan te tonen om antimoonverontreinigingen in silicium te manipuleren met behulp van STEM. De precieze positionering van doteringsatomen in kristalroosters zou nieuwe toepassingen mogelijk kunnen maken op gebieden zoals solid-state sensing en kwantumberekening. Dit kan opwindende implicaties hebben, zoals Susi concludeert: “Heel recent werden antimoondoteringsmiddelen in silicium gesuggereerd als veelbelovende kandidaten voor vaste-stof-spinqubits, en ons werk kan een pad openen voor hun deterministische fabricage.”