Фізики розробили метод керованого переміщення окремих атомів кремнію за ґратами графена за допомогою електронного пучка. Десятисекундні електронні імпульси змусили атоми рухатися за заданою траєкторією, наприклад, за вершинами шестикутника або перескакувати між двома положеннями. Отримані результати також дозволили більш точно описати механізм такого переміщення теоретично, пишуть вчені в.
Можливість керованого руху окремих атомів кристалічною поверхнею вперше була продемонстрована близько 25 років тому. Зараз це найчастіше роблять за допомогою атомно-силового мікроскопа, проте таким чином вдається переміщати в першу чергу адсорбовані атоми, досить слабо пов'язані з поверхнею. Дещо складніше рухати атоми, вбудовані в кристалічну решітку за допомогою ковалентних зв'язків. Необхідність такого переміщення може виникнути, наприклад, у графені - гексагональній решітці з атомів вуглецю, в якій нерідко можна зустріти домішки атоми, наприклад, кремнію.
Для переміщення атома кремнію по решітці йому фактично потрібно помінятися місцями з сусіднім атомом вуглецю, і такий процес фізики вже пропонували проводити за допомогою сфокусованого електронного пучка, який руйнує деякі зв'язки в ґратах, що веде до перебудови локальної структури і «стрибка» атома кремнію в сусідній осередок. Хоча принципову можливість переміщення атомів за допомогою електронного мікроскопа вже вдалося показати, проводити цей процес з достатнім ступенем контролю раніше не вдавалося.
Група фізиків з Австрії, Норвегії та Бельгії під керівництвом Томи Сусі (Toma Susi) з Віденського університету знайшла спосіб, за допомогою якого окремі домішкові атоми кремнію можна рухати за ґратами графена за допомогою електронного пучка просвічувального мікроскопа за чітко заданою траєкторією. Положення атома кремнію в процесі переміщення визначалося за допомогою електронних спектроскопічних методів - зокрема, за контрастом розсіювання і спектроскопії енергетичних втрат електронами, - за допомогою яких стежити за «стрибками» атома кремнію за ґратами можна було в реальному часі.
Тривалість електронного імпульсу енергією до 60 кілоелектронвольт вчені скоротили до 10 секунд, при цьому діаметр опромінюваної ділянки досягав 0,11 нанометра, тобто фактично пучок впливав на конкретний атом і змушував його перескакувати по решітці в потрібному напрямку.
Вчені відзначають, що якщо центр електронного пучка направити на той атом вуглецю, позицію якого повинен зайняти після перескоку кремній, то ймовірність такого стрибка значно підвищується і траєкторію атома кремнію можна таким чином задавати заздалегідь. Зокрема, за допомогою такого підходу вченим вдалося змусити примісний атом кремнію переміщатися по вузлах шестикутника в решітці графену, зробивши в цілому 75 стрибків, або рухатися між двома позиціями в решітці, 67 разів перестрибуючи між ними туди і назад. За словами вчених, як правило, для перескоку достатньо одного або двох десятисекундних імпульсів, в рідкісних випадках опромінювати доводилося частіше. Іноді атоми здійснюють відразу подвійні стрибки, але такі події трапляються досить рідко: в середньому - лише в кожному двадцятому випадку.
Крім того, вченим вдалося уточнити теоретичні моделі, які використовувалися для опису перебудови зв'язків під час перескоку атома по решітці. Зокрема, виявилося, що при цьому відбувається утворення проміжного дефекту Стоуна - Вейлса, що складається з п'ятиченого і семичленого циклів.
За словами вчених, оскільки ймовірність помилки або подвійного стрибка при використанні запропонованого підходу досить низька, то цей метод можна автоматизувати, задаючи траєкторію точки фокусу електронного пучка. Однак при цьому для переміщення атомів на досить велику відстань необхідний графен досить хорошої якості, вирощений з ізотропних прекурсорів.
Автори роботи стверджують, що кероване положення домісних атомів у акціонерному кристалі в майбутньому можна буде використовувати, наприклад, для створення систем зберігання інформації з атомарною роздільною здатністю. Крім того, за словами вчених, швидше за все, подібні підходи вдасться перенести з почесних систем і на тривимірні кристали, що неможливо робити за допомогою атомно-силового мікроскопа.
Варто зазначити, що, з деякими тривимірними завданнями з переміщення атомів і молекул сучасні атомно-силові мікроскопи вже справляються. Наприклад, нещодавно вчені змогли за допомогою голки атомно-силового мікроскопа поставити плоску органічну молекулу перпендикулярно поверхні і зафіксувати її в такому положенні.