Атомные манипуляции

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

Вертикальные манипуляции

Вертикальная манипуляция — это процесс перемещения атома с подложки на иглу СТМ, изменения положения иглы СТМ и перемещения атома обратно в желаемое положение. Перенос атома с подложки на иглу СТМ осуществляется путем размещения иглы над атомом в режиме постоянного тока, отключения контура обратной связи и применения высокого смещения на несколько секунд. В некоторых случаях также необходимо медленно приближаться к наконечнику, применяя большое смещение. Внезапные скачки 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 из иглы СТМ на подложку осуществляется тем же способом, но с применением противоположного смещения.

Латеральная манипуляция

Латеральные манипуляции означают перемещение адсорбата по поверхности путем создания временной химической или физической связи между наконечником СТМ и адсорбатом. Типичная последовательность латеральных манипуляций начинается с размещения наконечника близко к адсорбату, приближения наконечника к поверхности за счет увеличения заданного значения туннельного тока, перемещения наконечника по желаемому маршруту и, наконец, втягивания наконечника на нормальную высоту сканирования. Латеральные манипуляции обычно применяются к прочносвязанным адсорбатам, таким как адатомы металлов на металлических поверхностях. Вероятность того, что поверхностный адсорбат переместится на то же расстояние, которое проходит игла, сильно зависит от состояния иглы.

В зависимости от вершины наконечника и системы поверхность/адсорбат боковое движение может происходить за счет выталкивания, вытягивания или скольжения адсорбата. Эти режимы приводят к четким сигналам туннельного тока во время бокового движения. Например, периодические скачки туннельного тока указывают на то, что адсорбат «перепрыгивает» между участками адсорбции, следуя за иглой: это означает, что игла толкает или тянет адсорбат.

Известные эксперименты

Несколько групп применили методы манипуляции атомами в художественных целях, чтобы продемонстрировать контроль над положением адатомов. К ним относятся логотипы различных учреждений и фильм под названием « Мальчик и его атом », составленный из отдельных сканирований СТМ, выполненных исследователями IBM.

Несколько заметных экспериментов по физике конденсированного состояния были реализованы с использованием методов атомных манипуляций. К ним относятся демонстрация удержания электронов в так называемых квантовых загонах Майклом Ф. Кромми и др., ^{[ 2 ]} и последующий эксперимент «Квантовый мираж» , в котором подпись Кондо адатома отражалась от одного фокуса к другому в эллиптическом квантовом загоне. ^{[ 3 ]}

Атомные манипуляции также вызвали интерес как вычислительная платформа. Андреас Дж. Генрих и др. построили логические вентили из молекулярных каскадов адсорбатов CO, а Калфф и др. продемонстрировал перезаписываемую килобайтную память, состоящую из отдельных атомов. ^{[ 4 ]}

В недавних экспериментах с искусственными решетчатыми структурами использовались методы атомных манипуляций для изучения электронных свойств решеток Либа. ^{[ 5 ]} искусственный графен ^{[ 6 ]} и треугольники Серпинского . ^{[ 7 ]}

Ссылки

^ Эйглер, Д.; Швейцер, Э. (5 апреля 1990 г.). «Позиционирование одиночных атомов с помощью сканирующего туннельного микроскопа». Природа . 344 (6266): 524–526. Бибкод : 1990Natur.344..524E . дои : 10.1038/344524a0 . S2CID 4323687 .
^ Кромми, М.; Лутц, К.; Эйглер, Д. (8 октября 1993 г.). «Удержание электронов в квантовых загонах на металлической поверхности». Наука . 262 (5131): 218–220. Бибкод : 1993Sci...262..218C . дои : 10.1126/science.262.5131.218 . ПМИД 17841867 . S2CID 8160358 .
^ Манохаран, Х.; Лутц, К.; Эйглер, Д. (3 февраля 2000 г.). «Квантовые миражи, образованные когерентной проекцией электронной структуры». Природа . 403 (6769): 512–515. Бибкод : 2000Natur.403..512M . дои : 10.1038/35000508 . ПМИД 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 : 2016НатНа..11..926К . дои : 10.1038/nnano.2016.131 . ПМИД 27428273 . S2CID 37998209 .
^ Слот, М.; Гарденье, Т.; Якобс, П.; ван Мирт, Г.; Кемпкес, С.; Зевенхейзен, С.; Мораис Смит, Кристиана; Ванмакельберг, Д.; Сварт, И. (24 апреля 2017 г.). «Экспериментальная реализация и характеристика электронной решетки Либа» . Физика природы . 13 (7): 672–676. arXiv : 1611.04641 . Бибкод : 2017NatPh..13..672S . дои : 10.1038/nphys4105 . ПМК 5503127 . ПМИД 28706560 .
^ Гомес, К.; Мар, В.; Ко, В.; Гвинея, Ф.; Манохаран, Х. (14 марта 2012 г.). «Конструктор Дирака Фермионы и топологические фазы в молекулярном графене». Природа . 483 (7389): 306–310. Бибкод : 2012Natur.483..306G . дои : 10.1038/nature10941 . ПМИД 22422264 . S2CID 4431402 .
^ Кемпкес, С.; Слот, М.; Фрини, С.; Зевенхейзен, С.; Ванмакельберг, Д.; Сварт, И.; Мораис Смит, К. (2019). «Дизайн и характеристика электронов во фрактальной геометрии» . Физика природы . 15 (2): 127–131. arXiv : 1803.04698 . Бибкод : 2018NatPh..15..127K . дои : 10.1038/s41567-018-0328-0 . ПМК 6420065 . ПМИД 30886641 .

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

[Corral1-2] Кромми, М.; Лутц, К.; Эйглер, Д. (8 октября 1993 г.). «Удержание электронов в квантовых загонах на металлической поверхности». Наука . 262 (5131): 218–220. Бибкод : 1993Sci...262..218C . дои : 10.1126/science.262.5131.218 . ПМИД 17841867 . S2CID 8160358 .

[mirage-3] Манохаран, Х.; Лутц, К.; Эйглер, Д. (3 февраля 2000 г.). «Квантовые миражи, образованные когерентной проекцией электронной структуры». Природа . 403 (6769): 512–515. Бибкод : 2000Natur.403..512M . дои : 10.1038/35000508 . ПМИД 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 : 2016НатНа..11..926К . дои : 10.1038/nnano.2016.131 . ПМИД 27428273 . S2CID 37998209 .

[Lieb_lattice-5] Слот, М.; Гарденье, Т.; Якобс, П.; ван Мирт, Г.; Кемпкес, С.; Зевенхейзен, С.; Мораис Смит, Кристиана; Ванмакельберг, Д.; Сварт, И. (24 апреля 2017 г.). «Экспериментальная реализация и характеристика электронной решетки Либа» . Физика природы . 13 (7): 672–676. arXiv : 1611.04641 . Бибкод : 2017NatPh..13..672S . дои : 10.1038/nphys4105 . ПМК 5503127 . ПМИД 28706560 .

[Molecular_graphene-6] Гомес, К.; Мар, В.; Ко, В.; Гвинея, Ф.; Манохаран, Х. (14 марта 2012 г.). «Конструктор Дирака Фермионы и топологические фазы в молекулярном графене». Природа . 483 (7389): 306–310. Бибкод : 2012Natur.483..306G . дои : 10.1038/nature10941 . ПМИД 22422264 . S2CID 4431402 .

[Fractal_electronics-7] Кемпкес, С.; Слот, М.; Фрини, С.; Зевенхейзен, С.; Ванмакельберг, Д.; Сварт, И.; Мораис Смит, К. (2019). «Дизайн и характеристика электронов во фрактальной геометрии» . Физика природы . 15 (2): 127–131. arXiv : 1803.04698 . Бибкод : 2018NatPh..15..127K . дои : 10.1038/s41567-018-0328-0 . ПМК 6420065 . ПМИД 30886641 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]