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            使用电子束完成对单个原子的操作,有望敞开“原子工程”新时代

            admin 2019-06-05 171人围观 ,发现0个评论

            [据麻省理工学院网站5月17日报导] 麻省理工学院(MIT)、维也纳大学等多家单位的研讨人员协作,开宣布一种新办法,可选用高度聚集的电子束从头定位原子,并操控它们的精确方位和成键方向。这一发现终究有望用于制作量子核算设备或传感器,并敞开一个“原子工程”的新时代。研讨成果宣布在《Science Advances》杂志上。

            尽管之前也有研讨人员完成对单个原子的操作,甚至在原子外表创建出一个均匀的圆圈,但该进程涉及到在扫描隧道显微镜(STM)探针顶级捡起单个原子,然后把它们放回原位,这是一个相对缓慢的机械进程。此次开发的新工艺运用扫描透射电镜(STEM)中的相对论电子束操作原子,它可以使用电子束完成对单个原子的操作,有望敞开“原子工程”新时代彻底由磁透镜进行电子操控,不需求机械运动部件,因而使得该进程要快得多,然后有望取得实践运用。

            研讨人员表明,经过电子操控和人工智能技术,终究可以在微秒级时刻标准上操作原子,比现在选用机械探测器操作它们的速度快了好几个数量级。此外,有望完成多个电子束一起作用于同一块资料上。他们的方针是操控一到几百个原子,包含操控它们的方位、电荷状况,以及电子及原子核的自旋状况。

            核算机芯片通常是由硅晶体与其他原子“掺杂”而成,这些原子需求赋予特定的电功能,然后在资料中发生“缺点”——这些区域无法坚持硅晶体结构的彻底有序。但这一进程是涣散的,因而没有办法以原子精度操控掺杂原子的去向。而新体系可以完成精确认位。

            运用电子束可以用来把一个原子从一个方位撞到另一个方位,然后“读取”新的方位,以验证原子终究抵达了它应该抵达的方位。尽管定位本质上是由概率决议的,并不是100%精确,但经过确认实践方位可以只挑选那些终究抵达正确方位的原子。

            与原子相同宽的、聚集十分窄的电子束的能量将原子击离其方位,经过挑选电子束的精确视点,研讨人员可以确认原子最或许停止的方位。该体系需求精确操控电子束的视点和能量。

            研讨人员进行了相关试验,他们在石墨烯片上运用磷原子(一种常用的掺杂剂),磷原子终究替代了部分碳原子,然后改变了资料的电子、光学和其他性质。假如知道这些原子的方位,这些性质是可以猜测的。这是初次在石墨烯上操作电子上不同的掺杂原子。

            该研讨的终究的方针是以杂乱的办法移动多个原子。研讨人员期望运用电子束来移动这些掺杂物,使其呈金字塔状,或是一些缺点复合体结构,而且可以精确地指出每个原子的方位。

            除了对电子束和石墨烯的不同视点与方位所发生的影响进行了试验测验和调查外,该团队还得出了相应的理论基础来猜测这种效应,名为“初级敲击式空间方式”(primary knock-on space formalism),可用于盯梢原海淘网子的动量。

            初始光束发生的级联效应发生在多个时刻标准上,因而难以进行观测和剖析。实践相对论电子(以大使用电子束完成对单个原子的操作,有望敞开“原子工程”新时代约45%的光速移动)与原子的磕碰发生在仄秒(zeptosecond,即10的负21次秒)级标准,但晶格中的原子发生的运动和磕碰在皮秒或更长的时刻标准上打开(时刻要长数十亿倍)。

            如磷等掺杂原子具有非零的核自旋,这是量子器材所需求的一个要害特性,由于自旋状况很简单遭到环境要素(如磁场)的影响。因而,精确认位这些原子的才能,无论是方位仍是键合,都或许是开展量子信息处理或传感设备的要害一步。

            加州大学伯克利分校的物理学教授表明,这是该范畴的一项重要发展。杂质原子和晶格缺点是电子范畴的要害,跟着固使用电子束完成对单个原子的操作,有望敞开“原子工程”新时代态器材变得越来越小,小到纳米标准,精确地知道单个杂质原子或缺点的方位及其原子环境变得越来越重要。一个极具挑战性的方针是开发一种可扩展的办法,可以有操控地操作或将单个原子置于所需方位,一起精确猜测该方位将对设备功能发生何种影响。

            除了麻省理工学院的领导团队外,此次国际协作还包含来自维也纳大学、我国科学院大学、丹麦奥尔胡斯大学、厄瓜多尔国立理工学院、美国橡树岭国家试验室和我国四川大学的研讨人员。这项作业得到了美国国家科学基金会、美国陆军研讨办公室、麻省理工学院战士纳米技术研讨所、奥地利科学基金、欧洲研讨理事会、丹麦独立研讨理事会、我国科学院和美国能源部的支撑。(北方科技信息研讨所 李良琦)

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