MIT科学家实现电子束操纵单原子

麻省理工学院（MIT）科学家日前研发出一种通过高度聚焦的电子束控制原子的新方法。

该成果2019年5月发表于《科学进展》杂志。MIT核工程系教授李巨（中国科学技术大学90少）、博士生苏骢（北京大学校友）与维也纳大学等多家科研院所的科学家们合力获得该成果。MIT官方新闻网报道了该成果，并称该成果对量子感应器与量子计算机有启发。

“我们用到了很多纳米技术工具”身兼核工程系与材料科学工程系两个院系教授的科学家李巨如此解读他们的成果。“我们的目标是操纵一个到数百个原子；控制原子位置；控制其充电状态，乃至控制其电子与原子核自传状态。”

李巨乐观展望，通过原子操纵与人工智能手段，“我们最终将在微秒量级的时间内操纵原子。这比目前通过机械手段的操作快了好些个数量级。而且，这将使我们可能同时操纵多个电子束，在同一片材料上工作”。

以下是MIT博士生、北京大学09级元培班校友苏骢对该成果的中文解读：

用高能电子束控制原子运动

随着CPU的加工工艺趋于原子尺度，对于该尺度的材料控制和修饰就显得越来越重要。在90年代初，IBM科学家利用扫描隧道显微镜（STM）将氙原子排布在金属表面，实现了人类对原子的最初控制。但是这个技术要求所有样品必须保留在极低温的液氦环境下来稳定原子图案，而且排布过程需要用探针将原子提起再放下，速度受限于机械传动，效率被限制。

在这篇新的工作当中，我们用扫描电子显微镜（STEM）中的高能电子束对石墨烯的磷掺杂原子的运动进行控制。早在2014年，奥地利和美国的科学家就发现使用高能电子束可以影响硅掺杂原子在石墨烯当中的跳跃，并在之后发现通过选择性照射邻位碳原子，可以引导硅的跳跃方向。但这种控制受限于高能电子对材料的辐照损伤。当一个邻位C原子被打飞离后，三配位的Si原子一旦变成四配位，电子束就无法再对Si进行控制。另外在扫描过程当中，我们发现除了发生这种掺杂原子和邻位碳原子的“直接交换”或者碳原子的“飞离”外，还有其他可能发生的运动过程。其中一种是掺杂原子和碳原子组成的原子对发生90度的旋转，叫做“Stone-Wales变换”；还有一种是掺杂原子直接被碳原子的“取代”过程。我们在控制的过程当中，尽量希望原子的数量和种类都保持不变，所以“直接交换”和“Stone-Wales变换”是我们希望诱导引发的过程，而另外的“碳原子飞离”和“取代”过程是我们希望尽量避免的。这篇文章的最大创新来自于提出了一个用电子束控制原子的理论框架，我们起名叫“Primary Knock-on Space”。通过这个理论框架，我们可以预测不同动力学过程发生的概率，从而通过改变实验条件来选择性诱导可能出现的材料结构变化。

这种用高能电子束实现的材料修饰在室温和大气环境下可以保持稳定，并且理论上可以达到很快的修饰速度，为今后大规模的原子控制和原子规模的器件制备打下基础。

说明：本文参考编译了MIT英文新闻的内容。图片转载自MIT新闻网，其版权属于MIT研究组所有。

2019-06-04 上一篇: 薛天视觉神经成果登Cell，中国科大2019CNS齐了！ 下一篇: 七中国科大人晋IEEE会士