"Caminando" de un electrón: manipulaciones con una carga dentro de la estructura de enlaces insaturados

El diablo en los detalles. Esta frase puede describir de manera muy breve y precisa el proceso de búsqueda de nuevos componentes básicos de la tecnología moderna. Después de todo, incluso las armas nucleares con todo su poder destructivo se crearon sobre la base de procesos que ocurren a nivel atómico. Hoy nos familiarizaremos con un estudio que también afecta a los átomos, pero no por su destrucción, sino por la creación. A saber, el control de los electrones y su comportamiento, lo que ayudará al desarrollo de tecnologías de computación cuántica y redes neuronales artificiales. Aprendimos de su informe cómo los científicos lograron, por así decirlo, poner un electrón con una correa y recorrerlo por un camino determinado. Vamos

Base de estudio

En los últimos años, ha habido más de un estudio en el campo de las manipulaciones con electrones, sus propiedades, comportamiento y estado. Muchos científicos consideran que esta dirección es muy prometedora, otros la consideran fundamentalmente importante para las tecnologías futuras. En este caso, surge una pregunta lógica: ¿en qué se diferencia este estudio de sus predecesores? Los investigadores dan una respuesta bastante clara: voltaje de polarización. Estudios previos se basaron precisamente en él, logrando el control sobre el electrón, o más bien, sobre el proceso de transición de las cargas. Por lo tanto, se logró una corriente de túnel insignificante, y las manipulaciones de carga se llevaron a cabo transportando electrones individuales.

En el caso del estudio de hoy, el procedimiento ha cambiado. Los científicos lograron controlar la carga dentro de una nanoestructura atómica basada en eventos de un solo electrón, pero sin la necesidad de aplicar un voltaje de polarización.


Un ejemplo de enlaces insaturados de silicio

La base material para el estudio fue enlaces insaturados de silicio (en adelante NS) en la superficie de Si (100) -2x1 pasivada por hidrógeno. Los científicos señalan que el uso de silicio tiene ciertas ventajas. Lo principal es el aislamiento electrónico de los enlaces no saturados del sustrato, lo que les permite localizar la carga sin utilizar una capa delgada de aislante entre la estructura principal y el sustrato. El uso de una capa aislante a menudo se ha aplicado previamente. Aquí hemos encontrado otra diferencia entre el estudio actual y sus predecesores. Pero los intervalos exactos entre NS se obtuvieron debido a la red cristalina.

Como se mencionó anteriormente, otros investigadores utilizaron voltaje de polarización o incluso NS cargadas para cargar la polarización. Inmediatamente el enfoque es más mecánico. Consiste en el uso de una sonda, que manipula directamente la posición de equilibrio del átomo, lo que permite que este átomo se convierta en portador de una carga negativa. Por lo tanto, la ausencia de voltaje de polarización y la interacción de corto alcance entre la sonda y el átomo hacen posible lograr el control sobre un electrón individual.

La experimentación

El microscopio de fuerza atómica / túnel Omicron LT que funciona a una temperatura de 4.5 K y un vacío ultra alto (<1 x ^10-10 torr) se utilizó como la herramienta principal de este estudio.


Microscopio Omicron LT

Las agujas del microscopio estaban hechas de alambre de tungsteno policristalino, que fue grabado químicamente, afilado por un haz de iones enfocado y conectado a un sensor qPlus.


Circuito del sensor QPlus

La frecuencia de resonancia de la aguja era de 28 kHz, el factor Q estaba en el rango de 12 ... 14 y la amplitud era de 50 picómetros. También se usó un electrodo adicional en el sensor para proporcionar corriente de túnel. Aún además, las agujas se afilaron mediante grabado de nitrógeno durante la microscopía iónica.

Durante el estudio en sí, la aguja estuvo en contacto con la superficie de la muestra; como resultado, los átomos de silicio permanecieron en la punta de la aguja.

La muestra de trabajo misma estaba hecha de cristales de Si altamente dopados (1.5 × 1019 átomos / cm3) (100). A continuación, se llevó a cabo un proceso de desgasificación a una temperatura de 600 ° C durante 12 horas, recocido con una temperatura máxima de 1250 ° C, y luego pasivación con hidrógeno a una temperatura de 330 ° C.

Los enlaces no saturados se formaron mediante el uso de pulsos de voltaje corto (+2.1 V, 10 ms), cuando la aguja se encontraba directamente sobre el hidrógeno.


Imagen No. 1

En la imagen 1a, vemos 2 NS estructurados por medio de dos átomos de hidrógeno intermedios utilizando pulsos de voltaje en la sonda. Este par de NS contiene 1 carga negativa.

La imagen del cambio de frecuencia constante (∆f) parece ligeramente sombreada ( 1b ). Esto se debe al hecho de que una carga negativa cambió de posición varias veces en el proceso de obtención de esta imagen. Para ser precisos, la carga parecía saltar de un NS a otro, lo que se ve al escanear la estructura de la muestra ( 1c ).

Además, los investigadores debían determinar que el cambio de contraste en las imágenes ∆f depende directamente del estado de carga. Para hacer esto, fue necesario analizar un NS aislado, fuera del par, realizando specf espectroscopía, que depende del sesgo. El NS en el proceso de espectroscopia se cargó negativamente a 0 V en una muestra con n-dopand ( 1d ). Aquí vemos una transición muy aguda entre dos parábolas, que corresponde a una transición de un estado de carga neutral a uno distintivo de un NS individual.

En la imagen 1f, vemos cómo la carga cambió de posición en 4,8 minutos. Una observación importante es que una carga negativa puede persistir en el sistema durante varios segundos.

Los investigadores notan una característica curiosa: los NS de silicio cargados negativamente se estabilizan a 200 meV (milielectron-voltios). Esto es una consecuencia de la relajación de la red, cuando la posición del núcleo atómico se eleva 30 pm por encima del estado neutral. Esto ayuda a prevenir túneles entre HC.


Imagen No. 2

También se descubrió que el estado del NS a 0 V depende en gran medida de ∆z. La confirmación de esta afirmación se obtuvo mediante una serie de exploraciones por el método de una altura constante de la estructura de seis NS.


Comparación del método de altura constante (a) y la corriente de túnel constante (b).

En la imagen superior 2b, se puede ver que a la aproximación máxima de la aguja a la muestra (-320 pm), los seis NS tienen una carga negativa. Si la aguja se eleva solo a las 50 p.m. al nivel de -270 p.m., entonces 3 NS se cargarán negativamente (imagen inferior 2b ). Pero el gráfico 2c muestra que este cambio no ocurre de manera uniforme y lineal, por el contrario, hay una gran brecha entre -300 y -290 pm.


Imagen No. 3

La observación de una transición abrupta, dependiendo de la altura de la aguja, no es suficiente para llegar a una conclusión completa. Por lo tanto, la espectroscopía de potencia se realizó a 0 V en NS individuales en un par (línea azul en 3a ) y por encima de la vacante de superficie (línea naranja en 3a ). Inicialmente, la distancia entre la muestra y la aguja era 700 pm más que la altura de referencia. Por lo tanto, todas las fuerzas entre la aguja y la superficie de la muestra fueron niveladas. Hasta el momento en que Δz = −100 pm, las tres NS son casi iguales, lo que confirma el predominio de las fuerzas de largo alcance. Un fuerte aumento | ∆f | ocurre cuando ∆z alcanza aproximadamente -302 pm.

Esto conduce a una histéresis entre la curva de aproximación y la curva de retracción, con | ∆f | permanece suficientemente alto hasta que ∆z alcanza −100 pm. Los científicos atribuyen este fenómeno a la localización de un par de carga en el NS justo debajo de la aguja.

Para un estudio más detallado de los modos de lectura y escritura, se realizaron varios experimentos con estructuras simétricas y asimétricas (de 5 NS).


Imagen No. 4

Las imágenes 4a-c muestran los diseños experimentales de las estructuras simétricas ( 4d ) y asimétricas ( 4h ).

Durante el modo de grabación, la aguja pasa sobre la imagen a corta distancia, y en el modo de lectura, la aguja retrocede a las 50 p.m. y continúa moviéndose en la dirección opuesta. Los pares de imágenes 4f / 4g y 4j / 4k muestran claramente que la carga dentro de la estructura puede manipularse completamente en ambas estructuras.

En el caso de una estructura simétrica, fue posible cambiar la carga a una de las NS del par interno: la derecha (imagen 4f ) y la izquierda ( 4g ). Esto fue seguido por un proceso de degeneración, cuyo resultado se muestra en la imagen 4e.

En el caso de una estructura asimétrica, cuando el NS era solo 5, tres de ellos tenían una carga negativa. Aquí, también fue posible lograr la manipulación con la carga en el par interno de NS. Pero, teniendo en cuenta la asimetría de la estructura, ambos estados de carga no se degeneraron.

Para un conocimiento detallado del estudio y materiales adicionales, recomiendo leer el informe de los investigadores .

Epílogo

Los científicos dicen que los resultados experimentales anteriores confirman la capacidad real de manipular electrones dentro de estructuras basadas en enlaces insaturados. El estado de carga resultante permanece estable durante varios segundos, lo que se logra debido a la relajación de la red de silicio, que estabiliza los enlaces insaturados cargados negativamente. En este caso, la herramienta principal en este experimento es la sonda, y el proceso en sí es completamente independiente del voltaje de polarización.

Este estudio confirma una vez más que nada es imposible para los científicos. Incluso los objetos más pequeños ya no son inaccesibles para el estudio, y ahora para su manipulación. La computación cuántica y las redes neuronales artificiales pueden obtener un impulso adicional en el desarrollo si este estudio continúa. Esperemos que su potencial sea tan grande como sus autores quieran.


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