‘Schrijven’ met atomen zou de materiaalfabricage voor kwantumapparaten kunnen transformeren

Een nieuwe technologie om individuele atomen continu precies daar te plaatsen waar ze nodig zijn, kan leiden tot nieuwe materialen voor apparaten die voldoen aan cruciale behoeften op het gebied van quantumcomputing en -communicatie die niet met conventionele middelen kunnen worden geproduceerd, zeggen de wetenschappers die de technologie hebben ontwikkeld.

Een onderzoeksteam van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy heeft een nieuw geavanceerd microscopie-instrument om met atomen te “schrijven”, door die atomen precies daar te plaatsen waar ze nodig zijn om een ​​materiaal nieuwe eigenschappen te geven.

“Door op atomaire schaal te werken, werken we ook op de schaal waarop kwantumeigenschappen op natuurlijke wijze ontstaan ​​en blijven bestaan”, aldus Stephen Jesse, een materiaalkundige die dit onderzoek leidt en hoofd is van de sectie Nanomaterials Characterizations bij het Center for Nanophase Materials Sciences (CNMS) van ORNL.

“We willen deze verbeterde toegang tot kwantumgedrag gebruiken als basis voor toekomstige apparaten die afhankelijk zijn van unieke kwantumfenomenen, zoals verstrengeling. Zo kunnen we computers verbeteren, veiligere communicatie creëren en de gevoeligheid van detectoren vergroten.”

Om een ​​betere controle over atomen te bereiken, creëerde het onderzoeksteam een ​​tool die ze een synthescope noemen om synthese te combineren met geavanceerde microscopie. De onderzoekers gebruiken een scanning transmissie-elektronenmicroscoop, of STEM, die is getransformeerd in een atomaire-schaal platform voor materiaalmanipulatie.

De synthesizer brengt de stand van zaken op het gebied van fabricage naar het niveau van de individuele bouwstenen van materialen. Deze nieuwe aanpak Hiermee kunnen onderzoekers verschillende atomen op specifieke plekken in een materiaal plaatsen. De nieuwe atomen en hun locaties kunnen zo worden geselecteerd dat het materiaal nieuwe eigenschappen krijgt.

“Klassieke computers gebruiken bits, die 0 of 1 kunnen zijn, en voeren berekeningen uit door deze bits om te draaien,” zei Ondrej Dyck van ORNL, een materiaalkundige die bijdraagt ​​aan het onderzoek. “Quantumcomputers gebruiken qubits, die tegelijkertijd 0 en 1 kunnen zijn. De qubits kunnen ook verstrengeld raken, waarbij één qubit verbonden is met de toestand van een andere. Dit verstrengelde systeem van qubits kan worden gebruikt om bepaalde problemen veel sneller op te lossen dan klassieke computers. Het lastige is om deze delicate qubits stabiel te houden en correct te laten werken in de echte wereld.

“Een strategie om deze uitdagingen aan te pakken is om te bouwen en te opereren op de schaal waarop kwantummechanica meer natuurlijk bestaat: op atomaire schaal. We realiseerden ons dat als we een microscoop hebben die atomen kan oplossen, we dezelfde microscoop kunnen gebruiken om atomen te verplaatsen of materialen met atomaire precisie te veranderen. We willen ook atomen kunnen toevoegen aan de structuren die we creëren, dus we hebben een voorraad atomen nodig. Het idee transformeerde in een syntheseplatform op atomaire schaal: de synthescope.”

Dat is belangrijk omdat het vermogen om materialen atoom voor atoom op maat te maken, kan worden toegepast op veel toekomstige technologische toepassingen in de kwantuminformatiewetenschap, en breder in micro-elektronica en katalyse, en voor het verkrijgen van een dieper begrip van materiaalsyntheseprocessen. Dit werk zou atomaire-schaalproductie kunnen vergemakkelijken, wat notoir uitdagend is.

“Alleen al door het feit dat we nu atomen kunnen plaatsen waar we willen, kunnen we nadenken over het creëren van arrays van atomen die zo dicht bij elkaar worden geplaatst dat ze met elkaar kunnen verstrengelen en daardoor hun kwantumeigenschappen delen. Dat is essentieel om kwantumapparaten krachtiger te maken dan conventionele apparaten”, aldus Dyck.

Zulke apparaten kunnen bestaan ​​uit quantumcomputers (een voorgestelde volgende generatie computers die de huidige snelste supercomputers ver achter zich kunnen laten); quantumsensoren; en quantumcommunicatieapparaten die een bron van één enkel foton nodig hebben om een ​​veilig quantumcommunicatiesysteem te creëren.

“We verplaatsen niet zomaar atomen,” zei Jesse. “We laten zien dat we verschillende atomen aan een materiaal kunnen toevoegen die er voorheen niet waren en ze kunnen plaatsen waar we ze willen hebben. Momenteel is er geen technologie waarmee je verschillende elementen precies op de gewenste plek kunt plaatsen en de juiste binding en structuur kunt hebben. Met deze technologie kunnen we structuren bouwen vanaf het atoom omhoog, ontworpen voor hun elektronische, optische, chemische of structurele eigenschappen.”

De wetenschappers, die deel uitmaken van het CNMS, een nanowetenschappelijk onderzoekscentrum en een gebruikersfaciliteit van het DOE Office of Science, hebben hun onderzoek en hun visie in een reeks van vier artikelen in wetenschappelijke tijdschriften in de loop van een jaar gedetailleerd, te beginnen met bewijs van principe dat de synthesizer gerealiseerd kon worden. Ze hebben patent aangevraagd op de technologie.

“Met deze papers heroriënteren we hoe fabricage op atomaire schaal eruit zal zien met behulp van elektronenbundels,” zei Dyck. “Samen schetsen deze manuscripten wat wij denken dat de richting zal zijn die de technologie voor atomaire fabricage in de nabije toekomst zal nemen en de verandering in conceptualisering die nodig is om het veld vooruit te helpen.”

Door een elektronenbundel, ook wel e-beam genoemd, te gebruiken om de atomen te verwijderen en af ​​te zetten, konden de ORNL-wetenschappers een directe schrijfprocedure op atomair niveau uitvoeren.

“Het proces is opmerkelijk intuïtief”, aldus Andrew Lupini van ORNL, leider van de STEM-groep en lid van het onderzoeksteam. “STEM’s werken door een e-bundel met hoge energie door een materiaal te sturen. De e-bundel wordt gefocust op een punt dat kleiner is dan de afstand tussen atomen en scant over het materiaal om een ​​afbeelding met atomaire resolutie te creëren. STEM’s staan ​​er echter om bekend dat ze juist de materialen die ze afbeelden beschadigen.”

De wetenschappers realiseerden zich dat ze deze destructieve “bug” konden uitbuiten en in plaats daarvan konden gebruiken als een constructieve feature en opzettelijk gaten konden creëren. Vervolgens konden ze elk gewenst atoom in dat gat stoppen, precies op de plek waar ze het defect hadden gemaakt. Door het materiaal opzettelijk te beschadigen, creëerden ze een nieuw materiaal met andere en nuttige eigenschappen.

“We onderzoeken methoden om deze defecten op aanvraag te creëren, zodat we ze kunnen plaatsen waar we willen,” zei Jesse. “Aangezien STEM’s beeldvormingsmogelijkheden op atomaire schaal hebben en we werken met zeer dunne materialen die slechts een paar atomen dik zijn, kunnen we elk atoom zien. We manipuleren materie dus op atomaire schaal in realtime. Dat is het doel en we bereiken het ook daadwerkelijk.”

Om de methode te demonstreren, bewogen de onderzoekers een e-beam heen en weer over een grafeenrooster, waardoor er minuscule gaatjes ontstonden. Ze plaatsten tinatomen in die gaatjes en bereikten een continu, atoom-voor-atoom, direct schrijfproces, waardoor ze precies dezelfde plekken waar het koolstofatoom was geweest, bevolkten met tinatomen.

“Wij geloven dat syntheseprocessen op atomaire schaal routine kunnen worden met behulp van relatief eenvoudige strategieën. In combinatie met geautomatiseerde bundelcontrole en AI-gestuurde analyse en ontdekking biedt het synthesizerconcept een venster op atomaire syntheseprocessen en een unieke benadering van productie op atomaire schaal”, aldus Jesse.