دستکاری اتم ها با پرتو الکترونی

به گزارش کارگروه فناوری اطلاعات سایبربان؛ حد نهایی کنترل مهندسی، قابلیت ایجاد و دست‌کاری مواد در سطوح پایه است. به این معنی که اتم‌ها با دقت بسیار بالا در کنار یکدیگر قرار داده می‌شوند. پژوهشگران دانشگاه‌های MIT و وین و چندین موسسه دیگر از مدتی قبل تحقیقات را در این زمینه شروع کرده و شیوه‌ای جدید را برای انجام آن پیشنهاد داده‌اند. در روش طرح شده توسط محققان، به منظور جایگذاری اتم‌ها و تنظیم جهت‌گیری دقیق انها از یک پرتو الکترونی بسیار متمرکز بهره گرفته می‌شود.

فناوری یاد شده را می‌توان به عنوان راه‌کاری جدیدی برای ساخت سامانه‌ها یا حسگرهای کوانتومی مورد استفاده قرار داد و نسل جدیدی از مهندسی اتمی را آغاز کرد.

جو لی (Ju Li) استاد علوم هسته‌ای و مهندسی دانشگاه MIT گفت:

ما تعداد بسیار زیادی از ابزارهای فناوری نانو را به کار گرفتیم. در تحقیقات جدید از این ابزارها برای کنترل فرآیندهایی که همچنان اندازه کوچکی دارند استفاده می‌شود. هدف کنترل موقعیت، وضعیت شارژ، الکترون‌ها و هسته‌ی چرخشی یک تا چند صد اتم است.

در حالی که افرادی در گذشته موقعیت اتم‌های فردی را دست‌کاری کرده‌اند، حتی ایجاد یک حلقه‌ی شفاف از اتم‌ها در یک سطح، نیاز به فرآیندی شامل جمع‌آوری آن‌ها روی یک سطح سوزن شکل مانند میکروسکوپ تونلی روبشی (scanning tunneling microscope) دارد که فرآیند مکانیکی بسیار زمان بری است؛ اما در روش جدید از میکروسکوپ الکترونی عبوری روبشی (STEM) بهره گرفته شده و اتم‌ها با استفاده از پرتوهای الکترونی در جای خود قرار می‌گیرند؛ بنابراین بدون نیاز به هیچ بخش مکانیکی و تنها از طریق لنزهای مغناطیسی، می‌توان کنترل الکترونیکی کاملی را روی چینش اتم‌ها داشت. این شیوه به انجام فرآیند یاد شده سرعت می‌بخشد.

لی ادامه داد:

ما فکر می‌کنیم، با استفاده از کنترل الکترونی و هوش مصنوعی می‌توانیم اتم‌ها را در مقیاس نانوثانیه دست‌کاری کنیم؛ بنابراین بسیار سریع‌تر از راهکار مکانیکی امروزی توان انجام این کار را داریم. به علاوه باید این امکان وجود داشته باشد که تعداد زیادی پرتوهای الکترونی را به صورت هم‌زمان به یک قطعه مواد ساطع کرد.

وی شرح داد تراشه‌های رایانه‌ای توسط دوپینگ (doping) یک کریستال سیلیکونی با دیگر اتم‌هایی که نیاز به دریافت خواص الکترونیکی خاص دارند، ایجاد می‌شوند. در این حالت مواد دارای نقص‌هایی بوده و بخش‌هایی از آن توانایی حفظ ساختار بلوری سیلیکون را ندارد؛ بنابراین با روش‌های فعلی هیچ راهی برای کنترل اتم‌هایی که دوپینگ شده‌اند وجود ندارد.

پژوهشگر مذکور شرح داد، با استفاده از پرتو الکترونی می‌توان به اتم ضربه زد و سپس موقعیت جدید آن را با دقت بالا بررسی کرد. البته با وجود اینکه این فناوری نیز دارای دقت 100% نیست. امکان تعیین موقعیت واقعی و انتخاب نمونه‌هایی که درست پیکربندی شده‌اند را فراهم می‌آورد.

جو لی با بیان مثالی ادامه داد:

ما می‌خواهیم از پرتو به منظور ضربه زدن به اتم‌ها استفاده و یک فوتبال اتمی بازی کنیم. درست به مانند ورزش فوتبال، نتایج قطعی نیست؛ اما شما خواهید توانست در شیوه‌ی جدید احتمالات را کنترل کنید.

پژوهشگران برای آزمایش فناوری خود، از اتم‌های فسفر استفاده کردند-که معمولاً در فرآیند دوپینگ کریستالی به کار گرفته می‌شوند- و آن را داخل یک ورقه‌ی گرافن قرار دادند. اتم‌های فسفر در نهایت با بخش‌هایی از کربن‌های تشکیل دهنده گرافن جایگزین شده و خواص مختلفی مانند الکترونیکی و نوری آن را تغییر دادند، به گونه که اگر موقعیت اتم‌ها شناخته شده باشند، قابل پیش‌بینی می‌شوند.

دوپینگ اتم‌هایی مانند فسفر که دارای چرخش هسته‌ای غیر صفر هستند؛ برای ایجاد سامانه‌های کوانتومی یک مسئله‌ی حیاتی به شمار می‌آیند؛ زیرا حالت و جهت چرخش اتم‌ها به راحتی توسط عناصر محیطی و میدان مغناطیسی تحت تأثیر قرار گرفته و پایداری سیستم را از بین می‌برند؛ بنابراین به دست آوردن توانایی قرار دادن اتم‌ها دقیقاً در کنار یکدیگر و برقراری اتصال میان آن‌ها می‌تواند یک گام کلیدی به منظور توسعه سامانه‌ها و حسگرهای پردازش کوانتومی به حساب آید.