Атомная манипуляция

Атомная манипуляция — это процесс перемещения отдельных атомов на подложке с помощью сканирующего туннельного микроскопа (СТМ). Атомная манипуляция — это метод поверхностной науки, обычно используемый для создания искусственных объектов на подложке из атомов и для изучения электронного поведения материи. Эти объекты не встречаются в природе и поэтому должны быть созданы искусственно. Первая демонстрация атомной манипуляции была проведена учеными IBM в 1989 году, когда они создали IBM в атомах . ^[1]

Вертикальная манипуляция

Вертикальная манипуляция — это процесс переноса атома с подложки на иглу STM, изменение положения иглы STM и перенос атома обратно в желаемое положение. Перенос атома с подложки на иглу STM осуществляется путем помещения иглы над атомом в режиме постоянного тока, отключения контура обратной связи и приложения высокого смещения на несколько секунд. В некоторых случаях также требуется медленно приближаться к игле, прикладывая высокое смещение. Внезапные всплески или падения тока во время этого процесса соответствуют либо переносу, либо отталкиванию атома от заданного места. Таким образом, в этом процессе всегда присутствует некоторый уровень случайности. Перенос атома с иглы STM на подложку осуществляется таким же образом, но с применением противоположного смещения.

Боковая манипуляция

Боковая манипуляция означает перемещение адсорбата на поверхности путем создания временной химической или физической связи между наконечником СТМ и адсорбатом. Типичная последовательность боковой манипуляции начинается с позиционирования наконечника близко к адсорбату, подведения наконечника близко к поверхности путем увеличения заданного значения туннельного тока, перемещения наконечника по желаемому маршруту и, наконец, отвода наконечника на нормальную высоту сканирования. Боковая манипуляция обычно применяется к прочно связанным адсорбатам, таким как адатомы металлов на металлических поверхностях. Вероятность того, что поверхностный адсорбат переместится на то же расстояние, что и наконечник, сильно зависит от состояния наконечника.

В зависимости от вершины острия и системы поверхность/адсорбат, боковое движение может происходить путем толкания, вытягивания или скольжения адсорбата. Эти режимы приводят к отчетливым сигналам туннельного тока во время бокового движения. Например, периодические шаги в туннельном токе указывают на то, что адсорбат «прыгает» между местами адсорбции, следуя за острицом: это означает, что острицо толкает или вытягивает адсорбат.

Известные эксперименты

Несколько групп применили методы атомной манипуляции в художественных целях, чтобы продемонстрировать контроль над позициями адатомов. К ним относятся различные институциональные логотипы и фильм под названием « Мальчик и его атом », составленный из отдельных сканирований STM исследователями IBM.

Несколько примечательных экспериментов по физике конденсированного состояния были реализованы с использованием методов атомной манипуляции. Они включают демонстрацию удержания электронов в так называемых квантовых загонах Майклом Ф. Кромми и др. ^[2] и последующий эксперимент с квантовым миражом , где кондовская сигнатура адатома отражалась от одного фокуса к другому в эллиптическом квантовом загоне. ^[3]

Атомная манипуляция также вызвала интерес как вычислительная платформа. Андреас Дж. Хайнрих и др. построили логические вентили из молекулярных каскадов адсорбатов CO, а Калфф и др. продемонстрировали перезаписываемую килобайтную память, состоящую из отдельных атомов. ^[4]

Недавние эксперименты с искусственными решетчатыми структурами использовали методы атомной манипуляции для изучения электронных свойств решеток Либа ^[5] , искусственного графена ^[6] и треугольников Серпинского ^[7] .

Ссылки

^ Эйглер, Д.; Швейцер, Э. (5 апреля 1990 г.). «Позиционирование отдельных атомов с помощью сканирующего туннельного микроскопа». Nature . 344 (6266): 524– 526. Bibcode :1990Natur.344..524E. doi :10.1038/344524a0. S2CID 4323687.
^ Crommie, M.; Lutz, C.; Eigler, D. (8 октября 1993 г.). «Удержание электронов в квантовых загонах на поверхности металла». Science . 262 (5131): 218– 220. Bibcode :1993Sci...262..218C. doi :10.1126/science.262.5131.218. PMID 17841867. S2CID 8160358.
^ Manoharan, H.; Lutz, C.; Eigler, D (3 февраля 2000 г.). «Квантовые миражи, образованные когерентной проекцией электронной структуры». Nature . 403 (6769): 512– 515. Bibcode :2000Natur.403..512M. doi :10.1038/35000508. PMID 10676952. S2CID 4387604.
^ Калфф, Ф.; Реберген, М.; Фаренфорт, Э.; Гировский Ю.; Тоскович, Р.; Ладо, Дж.; Фернандес-Россье, Дж.; Отте, А. (18 июля 2016 г.). «Килобайтная перезаписываемая атомная память». Природные нанотехнологии . 11 (11): 926–929 . arXiv : 1604.02265 . Бибкод :2016NatNa..11..926K. дои : 10.1038/nnano.2016.131. PMID 27428273. S2CID 37998209.
^ Слот, М.; Гарденье, Т.; Якобсе, П.; ван Мирт, Г.; Кемпкес, С.; Зевенхёйзен, С.; Мораис Смит, Кристиан; Ванмакелберг, Д.; Сварт, И. (24 апреля 2017 г.). «Экспериментальная реализация и характеристика электронной решетки Либа». Nature Physics . 13 (7): 672– 676. arXiv : 1611.04641 . Bibcode :2017NatPh..13..672S. doi :10.1038/nphys4105. PMC 5503127 . PMID 28706560.
^ Gomes, K.; Mar, W.; Ko, W.; Guinea, F.; Manoharan, H. (14 марта 2012 г.). «Конструкторские фермионы Дирака и топологические фазы в молекулярном графене». Nature . 483 (7389): 306– 310. Bibcode :2012Natur.483..306G. doi :10.1038/nature10941. PMID 22422264. S2CID 4431402.
^ Kempkes, S.; Slot, M.; Freeney, S.; Zevenhuizen, S.; Vanmaekelbergh, D.; Swart, I.; Morais Smith, C. (2019). «Проектирование и характеристика электронов во фрактальной геометрии». Nature Physics . 15 (2): 127– 131. arXiv : 1803.04698 . Bibcode :2018NatPh..15..127K. doi :10.1038/s41567-018-0328-0. PMC 6420065 . PMID 30886641.

[Eigler_manip-1] Эйглер, Д.; Швейцер, Э. (5 апреля 1990 г.). «Позиционирование отдельных атомов с помощью сканирующего туннельного микроскопа». Nature . 344 (6266): 524– 526. Bibcode :1990Natur.344..524E. doi :10.1038/344524a0. S2CID 4323687.

[Corral1-2] Crommie, M.; Lutz, C.; Eigler, D. (8 октября 1993 г.). «Удержание электронов в квантовых загонах на поверхности металла». Science . 262 (5131): 218– 220. Bibcode :1993Sci...262..218C. doi :10.1126/science.262.5131.218. PMID 17841867. S2CID 8160358.

[mirage-3] Manoharan, H.; Lutz, C.; Eigler, D (3 февраля 2000 г.). «Квантовые миражи, образованные когерентной проекцией электронной структуры». Nature . 403 (6769): 512– 515. Bibcode :2000Natur.403..512M. doi :10.1038/35000508. PMID 10676952. S2CID 4387604.

[kilobyte-4] Калфф, Ф.; Реберген, М.; Фаренфорт, Э.; Гировский Ю.; Тоскович, Р.; Ладо, Дж.; Фернандес-Россье, Дж.; Отте, А. (18 июля 2016 г.). «Килобайтная перезаписываемая атомная память». Природные нанотехнологии . 11 (11): 926–929 . arXiv : 1604.02265 . Бибкод :2016NatNa..11..926K. дои : 10.1038/nnano.2016.131. PMID 27428273. S2CID 37998209.

[Lieb_lattice-5] Слот, М.; Гарденье, Т.; Якобсе, П.; ван Мирт, Г.; Кемпкес, С.; Зевенхёйзен, С.; Мораис Смит, Кристиан; Ванмакелберг, Д.; Сварт, И. (24 апреля 2017 г.). «Экспериментальная реализация и характеристика электронной решетки Либа». Nature Physics . 13 (7): 672– 676. arXiv : 1611.04641 . Bibcode :2017NatPh..13..672S. doi :10.1038/nphys4105. PMC 5503127 . PMID 28706560.

[Molecular_graphene-6] Gomes, K.; Mar, W.; Ko, W.; Guinea, F.; Manoharan, H. (14 марта 2012 г.). «Конструкторские фермионы Дирака и топологические фазы в молекулярном графене». Nature . 483 (7389): 306– 310. Bibcode :2012Natur.483..306G. doi :10.1038/nature10941. PMID 22422264. S2CID 4431402.

[Fractal_electronics-7] Kempkes, S.; Slot, M.; Freeney, S.; Zevenhuizen, S.; Vanmaekelbergh, D.; Swart, I.; Morais Smith, C. (2019). «Проектирование и характеристика электронов во фрактальной геометрии». Nature Physics . 15 (2): 127– 131. arXiv : 1803.04698 . Bibcode :2018NatPh..15..127K. doi :10.1038/s41567-018-0328-0. PMC 6420065 . PMID 30886641.