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对工程的最终控制程度是能够在最基本的水平上创建和操纵材料，通过精确控制原子制造设备。

现在，麻省理工学院，维也纳大学和其他几个机构的科学家们朝着这个方向迈出了一步，开发了一种方法，可以用高度聚焦的电子束重新定位原子并控制它们的确切位置和键合方向。他们说，这一发现最终可能导致制造量子计算设备或传感器的新方法，并开创了“原子工程”的新时代。

“ 科学进展 ”杂志在麻省理工学院核科学与工程教授朱莉，研究生丛苏，维也纳大学托马苏西教授以及麻省理工学院，维也纳大学，橡树等13人的论文中描述了这一进展。岭国家实验室，以及中国，厄瓜多尔和丹麦。

“我们正在使用大量的纳米技术工具，”李先生解释说，他在材料科学与工程领域担任联合任命。但是在新的研究中，这些工具被用来控制那些小一些数量级的流程。“目标是控制一到几百个原子，控制它们的位置，控制它们的电荷状态，并控制它们的电子和核自旋状态，”他说。

虽然其他人之前已经操纵过单个原子的位置，甚至在表面上形成一个整齐的原子圈，但这个过程包括在扫描隧道显微镜的针状尖端上拾取单个原子，然后将它们放到适当的位置，相对较慢机械过程。新工艺在扫描透射电子显微镜(STEM)中使用相对论电子束操纵原子，因此它可以通过磁透镜完全电子控制，并且不需要机械移动部件。这使得该过程可能更快，因此可能导致实际应用。

使用电子控制和人工智能，“我们认为我们最终可以在微秒时间尺度上操纵原子，”李说。“这比我们现在使用机械探针操纵它们要快许多个数量级。此外，应该可以在同一块材料上同时使用许多电子束。“

“这是原子操纵的一个令人兴奋的新范例，”苏西说。

计算机芯片通常通过将硅晶体“掺杂”与赋予特定电特性所需的其他原子来制造，从而在材料中产生“缺陷” - 不保持硅的完全有序晶体结构的区域。但是，李解释说，这个过程是散射的，所以没有办法用原子精度控制那些掺杂剂原子。他说，新系统可以实现精确定位。

李说，相同的电子束可用于将原子从一个位置敲入另一个位置，然后“读取”新位置，以验证原子最终达到了它的意图。虽然定位基本上由概率决定并且不是100%准确，但是确定实际位置的能力使得可以仅选择那些以正确配置结束的那些。

原子足球

非常窄的聚焦电子束的功率，大约与原子一样宽，将原子从其位置上击出，通过选择光束的精确角度，研究人员可以确定它最有可能最终到达的位置。他说：“我们希望利用光束来击倒原子并基本上发挥原子足球的作用，”将原子穿过石墨烯场运到他们想要的“目标”位置。

“就像足球一样，它不是确定性的，但你可以控制概率，”他说。“就像足球一样，你总是试图朝着目标前进。”

在团队的实验中，他们主要在石墨烯片中使用磷原子(一种常用的掺杂剂)，这是一种以蜂窝状排列的二维碳原子片。磷原子最终会取代该模式的某些部分中的碳原子，从而以这些原子的位置已知的方式预测的方式改变材料的电子，光学和其他性质。

最终，目标是以复杂的方式移动多个原子。“我们希望利用电子束基本上移动这些掺杂剂，因此我们可以制作金字塔或某些缺陷复合物，我们可以准确地说明每个原子所在的位置，”Li说。

这是第一次在石墨烯中操纵电子不同的掺杂剂原子。“虽然我们以前曾使用硅杂质，但磷的电气和磁性特性可能更有意义，但正如我们现在发现的那样，磷的行为方式却截然不同。每个元素都可能带来新的惊喜和可能性，“Susi补充道。

该系统需要精确控制光束角度和能量。“如果我们不小心，有时会产生不必要的结果，”他说。例如，有时碳原子意图保持在“刚刚离开”的位置，有时磷原子被锁定在格子中的位置，“然后无论我们如何改变光束角度，我们都不能影响它的位置。我们必须找到另一个球。“

理论框架

除了详细的实验测试和观察光束和石墨烯的不同角度和位置的影响之外，该团队还设计了一个理论基础来预测影响，称为初级连击空间形式，追踪“足球的动力” “我们做了这些实验，并给出了如何控制这个过程的理论框架，”李说。

Li说，初始光束产生的级联效应发生在多个时间尺度上，这使观察和分析变得棘手。相对论电子(以大约45%的光速移动)与原子的实际初始碰撞发生在一个十分之 一秒 - 十亿分之一秒的十亿分之一 - 但是由此产生的原子在晶格中的运动和碰撞在皮秒或更长的时间尺度上展开 - 数十亿倍。

诸如磷的掺杂原子具有非零核自旋，这是基于量子的器件所需的关键特性，因为自旋状态容易受到诸如磁场的环境因素的影响。因此，就位置和键合而言，准确放置这些原子的能力可能是开发量子信息处理或传感器件的关键一步，Li说。

“这是该领域的重要进展，”加州大学伯克利分校物理学教授Alex Zettl说，他没有参与这项研究。“晶格中的杂质原子和缺陷是电子工业的核心。随着固态器件变得越来越小，达到纳米级尺寸，精确地知道单个杂质原子或缺陷的位置以及它的原子环境是什么变得越来越重要。一个极具挑战性的目标是采用可扩展的方法，可控制地操纵或将单个原子放置在所需位置，以及准确预测放置对器件性能的影响。

Zettl说，这些研究人员“已朝着这个目标取得了重大进展。他们使用中等能量聚焦电子束来诱导原子的理想重排，并在原子尺度上实时观察他们正在做什么。优雅的理论论文具有令人印象深刻的预测能力，是对实验的补充。“