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對工程的最終控制程度是能夠在最基本的水平上創建和操縱材料，通過精確控制原子制造設備。

現在，麻省理工學院，維也納大學和其他幾個機構的科學家們朝著這個方向邁出了一步，開發了一種方法，可以用高度聚焦的電子束重新定位原子并控制它們的確切位置和鍵合方向。他們說，這一發現最終可能導致制造量子計算設備或傳感器的新方法，并開創了“原子工程”的新時代。

“ 科學進展 ”雜志在麻省理工學院核科學與工程教授朱莉，研究生叢蘇，維也納大學托馬蘇西教授以及麻省理工學院，維也納大學，橡樹等13人的論文中描述了這一進展。嶺國家實驗室，以及中國，厄瓜多爾和丹麥。

“我們正在使用大量的納米技術工具，”李先生解釋說，他在材料科學與工程領域擔任聯合任命。但是在新的研究中，這些工具被用來控制那些小一些數量級的流程。“目標是控制一到幾百個原子，控制它們的位置，控制它們的電荷狀態，并控制它們的電子和核自旋狀態，”他說。

雖然其他人之前已經操縱過單個原子的位置，甚至在表面上形成一個整齊的原子圈，但這個過程包括在掃描隧道顯微鏡的針狀尖端上拾取單個原子，然后將它們放到適當的位置，相對較慢機械過程。新工藝在掃描透射電子顯微鏡(STEM)中使用相對論電子束操縱原子，因此它可以通過磁透鏡完全電子控制，并且不需要機械移動部件。這使得該過程可能更快，因此可能導致實際應用。

使用電子控制和人工智能，“我們認為我們最終可以在微秒時間尺度上操縱原子，”李說。“這比我們現在使用機械探針操縱它們要快許多個數量級。此外，應該可以在同一塊材料上同時使用許多電子束。“

“這是原子操縱的一個令人興奮的新范例，”蘇西說。

計算機芯片通常通過將硅晶體“摻雜”與賦予特定電特性所需的其他原子來制造，從而在材料中產生“缺陷” - 不保持硅的完全有序晶體結構的區域。但是，李解釋說，這個過程是散射的，所以沒有辦法用原子精度控制那些摻雜劑原子。他說，新系統可以實現精確定位。

李說，相同的電子束可用于將原子從一個位置敲入另一個位置，然后“讀取”新位置，以驗證原子最終達到了它的意圖。雖然定位基本上由概率決定并且不是100%準確，但是確定實際位置的能力使得可以僅選擇那些以正確配置結束的那些。

原子足球

非常窄的聚焦電子束的功率，大約與原子一樣寬，將原子從其位置上擊出，通過選擇光束的精確角度，研究人員可以確定它最有可能最終到達的位置。他說：“我們希望利用光束來擊倒原子并基本上發揮原子足球的作用，”將原子穿過石墨烯場運到他們想要的“目標”位置。

“就像足球一樣，它不是確定性的，但你可以控制概率，”他說。“就像足球一樣，你總是試圖朝著目標前進。”

在團隊的實驗中，他們主要在石墨烯片中使用磷原子(一種常用的摻雜劑)，這是一種以蜂窩狀排列的二維碳原子片。磷原子最終會取代該模式的某些部分中的碳原子，從而以這些原子的位置已知的方式預測的方式改變材料的電子，光學和其他性質。

最終，目標是以復雜的方式移動多個原子。“我們希望利用電子束基本上移動這些摻雜劑，因此我們可以制作金字塔或某些缺陷復合物，我們可以準確地說明每個原子所在的位置，”Li說。

這是第一次在石墨烯中操縱電子不同的摻雜劑原子。“雖然我們以前曾使用硅雜質，但磷的電氣和磁性特性可能更有意義，但正如我們現在發現的那樣，磷的行為方式卻截然不同。每個元素都可能帶來新的驚喜和可能性，“Susi補充道。

該系統需要精確控制光束角度和能量。“如果我們不小心，有時會產生不必要的結果，”他說。例如，有時碳原子意圖保持在“剛剛離開”的位置，有時磷原子被鎖定在格子中的位置，“然后無論我們如何改變光束角度，我們都不能影響它的位置。我們必須找到另一個球。“

理論框架

除了詳細的實驗測試和觀察光束和石墨烯的不同角度和位置的影響之外，該團隊還設計了一個理論基礎來預測影響，稱為初級連擊空間形式，追蹤“足球的動力” “我們做了這些實驗，并給出了如何控制這個過程的理論框架，”李說。

Li說，初始光束產生的級聯效應發生在多個時間尺度上，這使觀察和分析變得棘手。相對論電子(以大約45%的光速移動)與原子的實際初始碰撞發生在一個十分之 一秒 - 十億分之一秒的十億分之一 - 但是由此產生的原子在晶格中的運動和碰撞在皮秒或更長的時間尺度上展開 - 數十億倍。

諸如磷的摻雜原子具有非零核自旋，這是基于量子的器件所需的關鍵特性，因為自旋狀態容易受到諸如磁場的環境因素的影響。因此，就位置和鍵合而言，準確放置這些原子的能力可能是開發量子信息處理或傳感器件的關鍵一步，Li說。

“這是該領域的重要進展，”加州大學伯克利分校物理學教授Alex Zettl說，他沒有參與這項研究。“晶格中的雜質原子和缺陷是電子工業的核心。隨著固態器件變得越來越小，達到納米級尺寸，精確地知道單個雜質原子或缺陷的位置以及它的原子環境是什么變得越來越重要。一個極具挑戰性的目標是采用可擴展的方法，可控制地操縱或將單個原子放置在所需位置，以及準確預測放置對器件性能的影響。

Zettl說，這些研究人員“已朝著這個目標取得了重大進展。他們使用中等能量聚焦電子束來誘導原子的理想重排，并在原子尺度上實時觀察他們正在做什么。優雅的理論論文具有令人印象深刻的預測能力，是對實驗的補充。“