用原子“书写”可以改变量子器件的材料制造

开发该技术的科学家表示，一项将单个原子连续放置在所需位置的新技术可能会为满足量子计算和通信领域关键需求的设备带来新材料，而这些需求是传统手段无法生产的。

能源部橡树岭国家实验室的一个研究小组创造了一种新型的先进显微镜工具，可以用原子“书写”，将这些原子精确地放置在需要的地方，以赋予材料新的特性

“通过在原子尺度上工作，我们也在量子特性自然出现并持续存在的尺度上工作”，领导这项研究并领导ORNL纳米材料科学中心（CNMS）纳米材料表征部门的材料科学家Stephen Jesse说

“我们的目标是将这种对量子行为的改进作为未来设备的基础，这些设备依赖于纠缠等独特的量子现象来改进计算机，创建更安全的通信并提高探测器的灵敏度。”

为了实现对原子的改进控制，研究小组创建了一种他们称之为合成镜的工具，用于将合成与先进的显微镜相结合。研究人员使用扫描透射电子显微镜（STEM），将其转化为原子级材料操纵平台

合成镜将把制造技术的水平提升到单个材料构建块的水平。这种新方法允许研究人员在特定位置将不同的原子放入材料中；可以选择新的原子及其位置，以赋予材料新的特性

ORNL的材料科学家Ondrej Dyck表示：“经典计算机使用位，可以是0或1，并通过翻转这些位来进行计算。”。“量子计算机使用量子位，它可以同时为0和1。量子位也可以纠缠在一起，一个量子位连接到另一个量子位的状态。这种纠缠的量子位系统可以比经典计算机更快地解决某些问题。棘手的部分是保持这些精细的量子位数在现实世界中的稳定和正常工作。

来源：橡树岭国家实验室

”应对这些挑战的一种策略是在量子力学更自然存在的尺度上——原子尺度上——构建和运行。我们意识到，如果我们有一台可以分辨原子的显微镜，我们就可以使用同一台显微镜以原子精度移动原子或改变材料。我们还希望能够将原子添加到我们创建的结构中，因此我们需要原子的供应。这个想法演变成了一个原子级的合成平台——合成镜。“

这很重要，因为逐个原子定制材料的能力可以应用于量子信息科学中的许多未来技术应用，更广泛地应用于微电子和催化，以及对材料合成过程的更深入理解。这项工作可以促进原子级制造，这是出了名的具有挑战性。

”Dyck说：“仅仅因为我们现在可以开始将原子放在我们想要的地方，我们就可以考虑创建原子阵列，这些原子阵列的位置足够精确，可以纠缠在一起，从而共享它们的量子特性，这是使量子设备比传统设备更强大的关键。”提出的下一代计算机可能远远超过当今最快的超级计算机；量子传感器；以及需要单光子源来创建安全量子通信系统的量子通信设备。

“杰西说：“我们不仅仅是在移动原子。我们证明，我们可以将各种原子添加到以前不存在的材料中，并将它们放在我们想要的地方。”。目前还没有技术可以让你将不同的元素精确地放置在你想放置的地方，并具有正确的粘合和结构。有了这项技术，我们可以从原子开始构建结构，根据它们的电子、光学、化学或结构特性进行设计。“

作为纳米科学研究中心CNMS和美国能源部科学办公室用户设施的一部分，科学家们在一年内在科学期刊上发表了四篇论文，详细介绍了他们的研究和愿景，从合成镜可以实现的原理证明开始。他们已经申请了该技术的专利。

Dyck说：“有了这些论文，我们正在重新确定使用电子束进行原子尺度制造的样子。”“这些手稿共同概述了我们认为原子制造技术在不久的将来将采取的方向，以及推进该领域所需的概念化变化。”。“

通过使用电子束或电子束来去除和沉积原子，ORNL科学家可以在原子水平上完成直接写入过程。

“这个过程非常直观，”ORNL STEM小组组长、研究团队成员Andrew Lupini说。“STEM通过将高能电子束传输到材料中来工作。”。电子束聚焦到一个小于原子间距离的点，并扫描整个材料，以创建具有原子分辨率的图像。然而，STEM因破坏其成像的材料而臭名昭著。“

科学家们意识到，他们可以利用这种破坏性的“缺陷”，并将其作为一种建设性特征，故意制造孔洞。然后，他们可以将任何他们想要的原子放入孔洞中，精确地放置在他们制造缺陷的位置。通过故意损坏材料，他们创造了一种具有不同有用特性的新材料。

“我们正在探索按需制造这些缺陷的方法，以便我们可以将它们放置在我们想要的地方，”Jesse说。“由于STEM具有原子级成像能力，我们使用厚度只有几个原子的非常薄的材料，我们可以看到每个原子。”。所以，我们正在实时操纵原子尺度上的物质。这就是目标，我们实际上正在实现它。“

为了演示这种方法，研究人员在石墨烯晶格上来回移动电子束，创造出微小的孔。他们将锡原子插入这些孔中，实现了一个连续的、逐个原子的直接写入过程，从而将碳原子与锡原子完全相同的位置填充进去。

”我们相信，使用相对简单的策略，原子级合成过程可以成为常规问题。当与自动束控制和人工智能驱动的分析和发现相结合时，合成镜概念为原子合成过程提供了一个窗口，并为原子级制造提供了一种独特的方法，”Jesse说