Eine neue Technologie, mit der sich einzelne Atome kontinuierlich genau dort platzieren lassen, wo sie benötigt werden, könnte nach Ansicht der Entwickler zu neuen Materialien für Geräte führen, die entscheidende Anforderungen im Bereich der Quanteninformatik und -kommunikation erfüllen und mit herkömmlichen Mitteln nicht hergestellt werden können.
Ein Forschungsteam des Oak Ridge National Laboratory des Energieministeriums hat eine neuartiges fortschrittliches Mikroskopie-Tool mit Atomen zu „schreiben“ und diese Atome genau dort zu platzieren, wo sie benötigt werden, um einem Material neue Eigenschaften zu verleihen.
„Indem wir auf atomarer Ebene arbeiten, arbeiten wir auch auf der Ebene, auf der Quanteneigenschaften auf natürliche Weise entstehen und bestehen bleiben“, sagte Stephen Jesse, ein Materialwissenschaftler, der diese Forschung leitet und die Abteilung für Nanomaterial-Charakterisierungen am Center for Nanophase Materials Sciences (CNMS) des ORNL leitet.
„Unser Ziel ist es, diesen verbesserten Zugang zum Quantenverhalten als Grundlage für zukünftige Geräte zu nutzen, die auf einzigartigen Quantenphänomenen wie der Verschränkung basieren, um Computer zu verbessern, sicherere Kommunikation zu ermöglichen und die Empfindlichkeit von Detektoren zu erhöhen.“
Um eine bessere Kontrolle über Atome zu erreichen, entwickelte das Forschungsteam ein Werkzeug namens Syntheskop, das Synthese mit fortgeschrittener Mikroskopie kombiniert. Die Forscher verwenden ein Rastertransmissionselektronenmikroskop (STEM), das in ein atomares Plattform zur Materialmanipulation.
Das Syntheskop wird den Stand der Fertigungstechnik bis auf die Ebene der einzelnen Materialbausteine voranbringen. Dieser neue Ansatz ermöglicht es Forschern, verschiedene Atome an bestimmten Stellen in einem Material zu platzieren; die neuen Atome und ihre Positionen können ausgewählt werden, um dem Material neue Eigenschaften zu verleihen.
„Klassische Computer verwenden Bits, die entweder 0 oder 1 sein können, und führen Berechnungen durch, indem sie diese Bits umdrehen“, sagte Ondrej Dyck vom ORNL, ein Materialwissenschaftler, der an der Forschung mitwirkt. „Quantencomputer verwenden Qubits, die gleichzeitig 0 und 1 sein können. Die Qubits können auch verschränkt werden, wobei ein Qubit mit dem Zustand eines anderen verbunden ist. Mit diesem verschränkten System von Qubits können bestimmte Probleme viel schneller gelöst werden als mit klassischen Computern. Der schwierige Teil besteht darin, diese empfindlichen Qubits stabil zu halten und sie in der realen Welt richtig funktionieren zu lassen.
Bildnachweis: Oak Ridge National Laboratory
„Eine Strategie zur Bewältigung dieser Herausforderungen besteht darin, auf einer Ebene zu bauen und zu arbeiten, auf der die Quantenmechanik natürlicher existiert – auf atomarer Ebene. Wir erkannten, dass wir, wenn wir ein Mikroskop haben, das Atome auflösen kann, dasselbe Mikroskop möglicherweise verwenden können, um Atome zu bewegen oder Materialien mit atomarer Präzision zu verändern. Wir möchten auch in der Lage sein, den von uns geschaffenen Strukturen Atome hinzuzufügen, also benötigen wir einen Vorrat an Atomen. Aus der Idee entwickelte sich eine Syntheseplattform auf atomarer Ebene – das Syntheskop.“
Das ist wichtig, weil die Fähigkeit, Materialien Atom für Atom maßzuschneidern, in Zukunft in vielen technologischen Anwendungen in der Quanteninformationswissenschaft und allgemeiner in der Mikroelektronik und Katalyse zum Einsatz kommen kann und um ein tieferes Verständnis der Materialsyntheseprozesse zu erlangen. Diese Arbeit könnte die Herstellung im atomaren Maßstab erleichtern, was bekanntermaßen eine Herausforderung darstellt.
„Allein die Tatsache, dass wir nun damit beginnen können, Atome dort zu platzieren, wo wir sie haben wollen, lässt uns darüber nachdenken, Atomanordnungen zu schaffen, die präzise und nahe genug beieinander positioniert sind, dass sie sich verschränken und so ihre Quanteneigenschaften teilen können. Das ist der Schlüssel dazu, Quantengeräte leistungsfähiger als konventionelle zu machen“, sagte Dyck.
Zu solchen Geräten könnten Quantencomputer gehören – eine geplante nächste Computergeneration, die die schnellsten Supercomputer von heute bei weitem übertreffen könnte –, Quantensensoren und Quantenkommunikationsgeräte, die eine Quelle eines einzelnen Photons benötigen, um ein sicheres Quantenkommunikationssystem aufzubauen.
„Wir verschieben nicht einfach Atome“, sagte Jesse. „Wir zeigen, dass wir einem Material eine Vielzahl von Atomen hinzufügen können, die vorher nicht da waren, und sie dort platzieren können, wo wir sie haben wollen. Derzeit gibt es keine Technologie, mit der man verschiedene Elemente genau dort platzieren kann, wo man sie haben will, und die die richtige Bindung und Struktur hat. Mit dieser Technologie könnten wir Strukturen vom Atom aufwärts aufbauen, die auf ihre elektronischen, optischen, chemischen oder strukturellen Eigenschaften ausgelegt sind.“
Die Wissenschaftler, die Teil des CNMS sind, einem Forschungszentrum für Nanowissenschaften und einer Benutzereinrichtung des DOE Office of Science, haben ihre Forschung und ihre Vision im Laufe eines Jahres in einer Reihe von vier Artikeln in wissenschaftlichen Zeitschriften detailliert beschrieben, beginnend mit Beweis des Prinzips dass das Syntheskop realisiert werden könnte. Sie haben ein Patent auf die Technologie angemeldet.
„Mit diesen Papieren geben wir der Frage, wie die Herstellung von Atomen mithilfe von Elektronenstrahlen aussehen wird, eine neue Richtung“, sagte Dyck. „Zusammen skizzieren diese Manuskripte, welche Richtung die Atomherstellungstechnologie unserer Meinung nach in naher Zukunft einschlagen wird und welche Konzeptänderungen erforderlich sind, um das Feld voranzubringen.“
Durch die Verwendung eines Elektronenstrahls (E-Strahl) zum Entfernen und Ablagern der Atome konnten die ORNL-Wissenschaftler ein direktes Schreibverfahren auf atomarer Ebene durchführen.
„Der Prozess ist bemerkenswert intuitiv“, sagte Andrew Lupini vom ORNL, Leiter der STEM-Gruppe und Mitglied des Forschungsteams. „STEMs funktionieren, indem sie einen hochenergetischen Elektronenstrahl durch ein Material leiten. Der Elektronenstrahl wird auf einen Punkt fokussiert, der kleiner ist als der Abstand zwischen Atomen, und tastet das Material ab, um ein Bild mit atomarer Auflösung zu erzeugen. STEMs sind jedoch dafür bekannt, genau die Materialien zu beschädigen, die sie abbilden.“
Die Wissenschaftler erkannten, dass sie diesen destruktiven „Fehler“ ausnutzen und ihn stattdessen als konstruktives Merkmal nutzen und absichtlich Löcher erzeugen konnten. Dann konnten sie jedes beliebige Atom in dieses Loch stecken, genau dort, wo sie den Defekt verursacht hatten. Indem sie das Material absichtlich beschädigten, schufen sie ein neues Material mit anderen und nützlichen Eigenschaften.
„Wir erforschen Methoden, um diese Defekte auf Anfrage zu erzeugen, damit wir sie dort platzieren können, wo wir wollen“, sagte Jesse. „Da STEMs Bildgebungsfähigkeiten im atomaren Maßstab haben und wir mit sehr dünnen Materialien arbeiten, die nur wenige Atome dick sind, können wir jedes Atom sehen. Wir manipulieren also Materie im atomaren Maßstab in Echtzeit. Das ist das Ziel, und wir erreichen es tatsächlich.“
Um die Methode zu demonstrieren, bewegten die Forscher einen Elektronenstrahl über ein Graphengitter hin und her und erzeugten dabei winzige Löcher. In diese Löcher fügten sie Zinnatome ein und erreichten so einen kontinuierlichen, Atom für Atom erfolgenden Direktschreibprozess. Dadurch wurden genau dieselben Stellen, an denen sich zuvor das Kohlenstoffatom befunden hatte, mit Zinnatomen bevölkert.
„Wir glauben, dass Syntheseprozesse im atomaren Maßstab mithilfe relativ einfacher Strategien zur Routine werden könnten. In Verbindung mit automatisierter Strahlsteuerung und KI-gesteuerter Analyse und Entdeckung bietet das Synthescope-Konzept einen Einblick in atomare Syntheseprozesse und einen einzigartigen Ansatz für die Herstellung im atomaren Maßstab“, sagte Jesse.