原子工程时代：用电子束操纵单个原子学术资讯

石墨烯中竞争实验的磷掺杂动力学及其控制。

工程的“终极控制度”是指能在最基本的层次上，通过精确的控制方式逐个原子地制造和操控材料的能力。phys.org网站报道，《科学进展》杂志发文称，美国麻省理工学院（MIT）和奥地利维也纳大学（UV）等已经朝着这个方向迈出了重要一步。他们开发了一种方法，可以利用高度聚焦的电子束重新定位原子，并控制它们的确切位置和成键方向。研究人员认为，这一成果有望促成制造量子设备或传感器的新方法，并开启“原子工程”新时代。MIT核科学与工程、材料科学与工程研究人员、论文作者Ju Li解释说：“我们已经有了很多基于纳米技术的工具。但是在这项新研究中，这类工具被用于控制比之前更小一个数量级的过程。我们的目标是对一到上百个原子的位置、电荷态和自旋态等进行精确控制。”

此前，虽然也有其他研究人员操纵过单个原子，甚至在表面上摆放出了一个整齐的原子圈，但这个过程需要使用扫描隧道显微镜的探针尖端“拾起”单原子，然后再把它放到既定位置。这是一个相对缓慢的机械过程。新方法利用扫描透射电镜的电子束操控原子，整个过程完全由磁透镜进行电子控制，不涉及机械运动部件。这使得操作速度大大提升了，更具实际应用性。Li说：“在电子控制和人工智能的帮助下，我们有可能在微秒级的时间尺度上操纵原子。新方法比机械过程的控制速度快好几个数量级，并且具备多电子束同时操作的可能性。”UV教授、论文作者Toma Susi补充说：“这是一个振奋人心的原子级操作新范例。”

计算机芯片通常是由硅晶体和“掺杂”原子构成的。在“掺杂”过程中，掺杂原子的去向难以精确控制，而新方法能实现精确定位。Li等利用高度聚焦的电子束产生的能量将原子“撞出”原有位置，然后用磷原子进行掺杂。Li将这个过程比喻为“踢原子足球”。他说：“虽然情况不是决定性的，但是你可以控制概率。就像踢足球，球员总会想方设法将足球送进球门。我们的最终目标是以复杂的方式一次性移动多个原子，以制造出金字塔结构或缺陷复合体。”Susi补充说：“这是首次在石墨烯材料中操纵电子不同的掺杂原子。磷的电性能和磁性能非常有趣。当然，每种元素都有可能带来新的惊喜。”

Li强调说，电子束的能量和角度必须精确控制。实验中，他们除仔细观测了电子束能量和角度对石墨烯的影响外，还提出了一种预测理论。研究人员认为，Li等的研究不仅提供了实验依据，还构建了初步的理论框架，后续研究将因此受益匪浅。

科界原创

编译：雷鑫宇

审稿：西莫

责编：唐林芳

期刊来源：《科学进展》

期刊编号：2375-2548

原文链接：

https://phys.org/news/2019-05-atoms-electron.html