[Перевод] «Письмо» атомами может изменить производство материалов для квантовых устройств
Художественная визуализация изображает прямую запись с помощью синтескопа ORNL, нового метода микроскопии, для непрерывной вставки атомов олова в графен, открывая возможности для изготовления материалов атом за атомом
Новая технология непрерывного размещения отдельных атомов именно там, где они нужны, может привести к созданию новых материалов для устройств, которые удовлетворят критические потребности в области квантовых вычислений и коммуникаций и которые невозможно получить обычными способами, говорят учёные, разработавшие её.
Исследовательская группа из Ок-Риджской национальной лаборатории Министерства энергетики создала новый усовершенствованный инструмент микроскопии, позволяющий «писать» атомами, помещая их именно туда, где они нужны, чтобы придать материалу новые свойства.
«Работая в атомном масштабе, мы также работаем в масштабе, где квантовые свойства возникают и сохраняются естественным образом», — говорит Стивен Джесси, материаловед, возглавляющий отдел характеристик наноматериалов в Центре нанофазных материалов ORNL, или CNMS.
«Мы стремимся использовать этот улучшенный доступ к квантовому поведению в качестве основы для будущих устройств, которые полагаются на уникальные квантовые явления, такие как запутывание, для улучшения компьютеров, создания более безопасных коммуникаций и повышения чувствительности детекторов».
Чтобы добиться улучшенного контроля над атомами, исследовательская группа создала инструмент, который они называют синтескопом, позволяющий сочетать синтез с передовой микроскопией. Исследователи используют сканирующий просвечивающий электронный микроскоп, или STEM, превращённый в платформу для манипулирования материалами в атомном масштабе.
Синтескоп позволит продвинуться в создании материалов до уровня отдельных строительных блоков. Этот новый подход позволяет исследователям помещать различные атомы в материал в определённых местах; новые атомы и их расположение можно выбирать для придания материалу новых свойств.
«В классических компьютерах используются биты, которые могут принимать значения либо 0, либо 1, и вычисления производятся путём переключения этих битов», — говорит Ондрей Дейк (Ondrej Dyck) из ORNL, материаловед, участвовавший в исследовании. «В квантовых компьютерах используются кубиты, которые могут быть одновременно и 0, и 1. Кроме того, кубиты могут стать запутанными, когда один из них связан с состоянием другого. Эта запутанная система кубитов может быть использована для решения определённых задач гораздо быстрее, чем классические компьютеры. Сложность заключается в том, чтобы сохранить стабильность и корректную работу этих хрупких кубитов в реальном мире.
«Одна из стратегий решения этих проблем — создание и работа в масштабе, где квантовая механика существует более естественно — в атомном масштабе. Мы поняли, что если у нас есть микроскоп, способный рассматривать атомы, то мы сможем использовать этот же микроскоп для перемещения атомов или изменения материалов с атомной точностью. Мы также хотим иметь возможность добавлять атомы в создаваемые нами структуры, поэтому нам нужен запас атомов. Эта идея переросла в платформу для синтеза в атомном масштабе — синтескоп».
Это важно, потому что способность создавать материалы атом за атомом может быть использована во многих будущих технологических приложениях в квантовой информатике и в более широком смысле в микроэлектронике и катализе, а также для более глубокого понимания процессов синтеза материалов. Эта работа может облегчить производство в атомном масштабе, которое, как известно, является сложной задачей.
«Просто благодаря тому, что мы теперь можем помещать атомы куда хотим, мы можем думать о создании массивов атомов, которые точно расположены достаточно близко друг к другу, чтобы они могли запутаться и, следовательно, обмениваться своими квантовыми свойствами, что является ключом к созданию квантовых устройств, более мощных, чем обычные», — сказал Дайк.
К таким устройствам могут относиться квантовые компьютеры — предполагаемое следующее поколение компьютеров, которые могут значительно превзойти самые быстрые современные суперкомпьютеры; квантовые сенсоры; и устройства квантовой связи, которым для создания безопасной системы квантовой связи требуется источник одиночных фотонов.
«Мы не просто двигаем атомы туда-сюда, — говорит Джесси. — Мы показываем, что можем добавлять в материал различные атомы, которых там раньше не было, и размещать их там, где нам нужно». В настоящее время не существует технологии, позволяющей размещать различные элементы именно там, где вы хотите их разместить, и получать при этом правильную связь и структуру. С помощью этой технологии мы сможем создавать структуры на атомном уровне, учитывая их электронные, оптические, химические или структурные свойства».
Концептуальный рисунок показывает нагревательную платформу, предназначенную для подачи распылённого материала на образец, превращая сканирующий просвечивающий электронный микроскоп в синтез-скоп
Учёные, входящие в состав CNMS, исследовательского центра нанонауки и пользовательского центра Управления по науке Министерства энергетики США, в течение года подробно описали свои исследования и своё видение в серии из четырёх статей в научных журналах, начав с доказательства принципиальной возможности реализации синтез-скопа. Они подали заявку на получение патента на технологию.
«Этими работами мы заново представляем, как будет выглядеть производство в атомном масштабе с помощью электронных пучков», — сказал Дайк. «Вместе эти рукописи описывают то, что, по нашему мнению, будет направлением развития технологии атомного производства в ближайшем будущем, и изменения в концепциях, которые необходимы для развития этой области».
Используя электронный луч, или e-beam, для удаления и осаждения атомов, учёные ORNL смогли осуществить процедуру прямого письма на атомном уровне.
«Процесс удивительно интуитивен», — говорит Эндрю Лупини из ORNL, руководитель группы STEM и член исследовательской группы. «STEM работает путём пропускания высокоэнергетического электронного пучка через материал. Электронный луч фокусируется в точку, меньшую, чем расстояние между атомами, и сканирует материал, создавая изображение с атомным разрешением. Однако STEM печально известны тем, что повреждают сами материалы, на которые наносятся изображения».
Учёные поняли, что могут воспользоваться этим разрушительным «багом» и использовать его как конструктивную особенность, специально создавая дыры. Затем они могут поместить в это отверстие любой атом, какой захотят, именно в том месте, где они создали дефект. Намеренно повреждая материал, они создают новый материал с другими полезными свойствами.
Была разработана нагревательная платформа для подачи распылённого материала на образец, превращающая сканирующий просвечивающий электронный микроскоп в синтез-скоп
«Мы изучаем методы создания этих дефектов по требованию, чтобы мы могли размещать их там, где нам нужно», — говорит Джесси. «Поскольку STEM обладает возможностями визуализации в атомном масштабе, а мы работаем с очень тонкими материалами, толщина которых составляет всего несколько атомов, мы можем видеть каждый атом. Таким образом, мы манипулируем веществом на атомном уровне в режиме реального времени. Это цель, и мы её достигли».
Чтобы продемонстрировать метод, исследователи перемещали электронный луч туда-сюда по графеновой решётке, создавая мизерные отверстия. В эти отверстия они вставляли атомы олова и осуществляли непрерывный, атом за атомом, процесс прямой записи, заселяя атомами олова те же места, где раньше находились атомы углерода.
«Мы считаем, что процессы синтеза в атомном масштабе могут стать обычным делом при использовании относительно простых стратегий. В сочетании с автоматизированным управлением лучом и анализом и открытиями, управляемыми искусственным интеллектом, концепция синтескопа открывает окно в процессы атомного синтеза и предлагает уникальный подход к производству в атомном масштабе», — говорит Джесси.
