Исследовательская группа Массачусетского технологического института (MIT) разработала новую технологию, позволяющую быстро перестраивать десятки тысяч атомов внутри материала при комнатной температуре, преодолев ограничение, существовавшее более 30 лет, когда атомное манипулирование было возможно только на поверхности материала. Этот результат, недавно опубликованный в журнале Nature, открывает совершенно новый путь для дизайна квантовых материалов по индивидуальному заказу.
Данная технология впервые позволяет точно перемещать десятки тысяч атомов в трехмерном пространстве без необходимости в сверхвысоком вакууме или сверхнизких температурах. Исследовательская группа использовала просвечивающий электронный микроскоп высокого разрешения в сочетании с самостоятельно разработанными прецизионными алгоритмами для управления траекторией электронного луча с пикометровой точностью, создавая внутри кристалла, подобно «атомному копировальному аппарату», более 40 000 искусственных дефектных структур. В эксперименте в качестве носителя использовался слоистый полупроводник — сульфид хрома-брома; смещение атомных колонн под воздействием колебаний электронного луча формировало массив вакансионных дефектов с особыми квантовыми свойствами.
По сравнению с традиционными методами манипулирования атомами на поверхности, новый метод позволил совершить три крупных прорыва: размерность операций расширена с двухмерной до трехмерной, адаптивность к условиям среды повышена от сверхнизких температур до комнатной, а эффективность обработки возросла на несколько порядков. Если в 1989 году ученым IBM потребовалось несколько дней, чтобы выложить слово «IBM» из атомов, то теперь операции гораздо большего масштаба занимают всего несколько десятков минут. Что еще важнее, атомные структуры, скрытые внутри материала, избегают проблем поверхностного окисления и загрязнения, что закладывает основу для практических квантовых устройств.
Исследовательская группа решила ключевую техническую проблему путем оптимизации алгоритмов. Система позиционирования электронного луча способна отслеживать положение атомов в реальном времени при чрезвычайно низкой дозе электронов, осуществляя динамическое управление, не повреждая кристалл. Этот «атомный скальпель» позволяет точно контролировать расстояние между дефектами и их пространственную конфигурацию, теоретически имитируя характер электронных взаимодействий в сложных молекулах. Такая способность делает возможной «запись» искусственно спроектированных квантовых состояний в твердотельных материалах.
Предварительные эксперименты уже продемонстрировали огромный потенциал этой технологии. При определенном расположении искусственные дефекты проявляют уникальные магнитные и оптические свойства; эти состояния материи, не существующие в природе, могут быть использованы для разработки новых датчиков, запоминающих устройств высокой плотности и элементов квантовых вычислений. Поскольку дефектные структуры заключены внутри кристалла, их стабильность значительно превосходит поверхностные структуры, что делает их более подходящими для практических сценариев применения.
В настоящее время команда работает над расширением спектра применимых материалов; помимо полупроводников на основе хрома, исследуются возможности атомного манипулирования другими слоистыми материалами. Эта технология не только предоставляет новый инструмент для изучения квантовых свойств материи, но и открывает новую парадигму «атомного производства» — настройку физических свойств материала путем прямого изменения внутреннего расположения атомов, что может привести к революции в информационных технологиях следующего поколения.
«Атомный скальпель» в руках ученых получил важное техническое обновление. Раньше для изменения расположения атомов внутри материала часто приходилось полагаться на принудительные методы «снаружи внутрь», такие как высокая температура и высокое давление. Теперь же новая технология «атомного скальпеля» позволяет более эффективно и напрямую изменять расположение атомов «изнутри наружу» при комнатной температуре, тем самым управляя свойствами материала. Это означает, что ученые могут точно контролировать внутреннюю структуру и дефекты материала и даже «записывать» в материал определенные функции. Это открывает совершенно новую дверь для дизайна новых материалов по требованию и, как ожидается, обеспечит важную поддержку для прорывов в информационных технологиях следующего поколения.