Идеята да подреждаме материята атом по атом звучи като научна фантастика, но от десетилетия е реална лабораторна цел. През 1989 г. изследователи на IBM демонстрират прочут експеримент: с помощта на сканиращ тунелен микроскоп подреждат 35 атома върху повърхността на кристал така, че да изпишат „IBM“. Това е исторически момент, но и пример за ограниченията на ранните методи — процесът е бавен, работи основно върху повърхности и изисква силно контролирани условия.
Сега екип от MIT, Националната лаборатория „Оук Ридж“ на Министерството на енергетиката на САЩ и други институции съобщава за много по-мащабен подход. Изследователите са разработили метод, с който могат да преместват десетки хиляди отделни атоми вътре в материал за минути и при стайна температура. Резултатите са описани в статия в Nature.
Ключът е комбинация от електронен лъч и алгоритми. Електронният лъч се насочва с изключителна прецизност към определени места в кристала, а алгоритмите управляват движението му така, че да предизвикат контролирано преместване на атоми. Според MIT точността е от порядъка на няколко пикометра — един пикометър е една трилионна част от метъра.
В експеримента учените работят с полупроводников материал — хромов сулфид бромид — и използват кристал с дебелина около 13 нанометра. Чрез електронния лъч те създават атомни дефекти: места, където атом липсва, заедно с преместения атом. Такива дефекти не са непременно „повреда“ в обичайния смисъл. В квантовите материали дефектите могат да имат полезни свойства — например да взаимодействат със светлина, магнитни полета или електрони по начин, който е ценен за сензори, памети и бъдещи квантови устройства.
Екипът съобщава, че е създал над 40 000 квантови дефекта за около 40 минути. Това е важно, защото много бъдещи приложения изискват не просто единичен атомен дефект, а голям брой дефекти, поставени по предварително зададен начин. Ако дефектите са подредени близо един до друг, те могат да взаимодействат. Така материалът може да се превърне в платформа за изучаване на сложни квантови явления.
Една от силните страни на метода е, че дефектите се създават в триизмерната атомна решетка на материала, а не само на повърхността. Повърхностните структури често са чувствителни към околната среда и могат да изискват вакуум или много ниски температури. Дефекти, разположени под повърхността, биха могли да бъдат по-стабилни и по-подходящи за реални устройства.
MIT описва метода като стъпка към „програмируема материя“ — материали, чиито свойства могат да се задават чрез прецизно подреждане на атомни дефекти. Потенциалните приложения включват квантови компютри, магнитна памет с висока плътност, атомно-мащабни логически устройства, оптични и сензорни технологии. Засега обаче това са перспективи, а не готови продукти.
Важно е да се подчертае, че демонстрацията е направена в конкретен материал и при конкретни условия. Самите изследователи отбелязват, че успехът вероятно е свързан с начина, по който хромът се свързва в използвания полупроводник и с особената му електронна структура. Следващият въпрос е доколко подходът може да се приложи в други кристали и колко надеждно може да се мащабира към структури с още повече атоми.
Въпреки тези ограничения, резултатът е впечатляващ, защото променя мащаба на атомното „писане“. Вместо бавно местене на единични атоми върху повърхност, изследователите показват контролирано създаване на десетки хиляди дефекти вътре в твърд материал. Ако методът се окаже приложим и към други системи, той може да даде на учените нов инструмент за създаване и тестване на материали, които природата сама не подрежда по този начин.
