"Marche" d'un électron: manipulations avec une charge à l'intérieur de la structure des liaisons insaturées

Le diable dans les détails. Cette phrase peut décrire très brièvement et avec précision le processus de recherche de nouveaux éléments constitutifs de la technologie moderne. Après tout, même des armes nucléaires avec toute leur puissance destructrice ont été créées sur la base de processus se produisant au niveau atomique. Aujourd'hui, nous prendrons connaissance d'une étude qui affecte également les atomes, mais pas pour leur destruction, mais pour la création. À savoir sur le contrôle des électrons et de leur comportement, ce qui aidera au développement des technologies de l'informatique quantique et des réseaux de neurones artificiels. Comment les scientifiques ont réussi, pour ainsi dire, à mettre un électron en laisse et à le parcourir le long d'un chemin donné, nous apprend leur rapport. Allons-y.

Base d'étude

Au cours des dernières années, il y a eu bien plus d'une étude dans le domaine des manipulations avec les électrons, leurs propriétés, leur comportement et leur état. De nombreux scientifiques considèrent cette direction comme très prometteuse, d'autres la considèrent comme fondamentalement importante pour les technologies futures. Dans ce cas, une question logique se pose - en quoi cette étude diffère-t-elle de ses prédécesseurs? Les chercheurs donnent une réponse assez claire - tension de polarisation. Des études antérieures s'appuyaient précisément sur lui, obtenant un contrôle sur l'électron, ou plutôt sur le processus de transition des charges. Ainsi, un courant de tunnelisation insignifiant a été atteint et des manipulations de charge ont été effectuées en transportant des électrons individuels.

Dans le cas de l'étude d'aujourd'hui, la procédure a été modifiée. Les scientifiques ont réussi à contrôler la charge à l'intérieur d'une nanostructure atomique basée sur des événements à un seul électron, mais sans avoir besoin d'appliquer une tension de polarisation.


Un exemple de liaisons insaturées au silicium

La base matérielle de l'étude était des liaisons insaturées de silicium (ci-après NS) sur la surface de Si (100) -2x1 passivée d'hydrogène. Les scientifiques notent que l'utilisation du silicium présente certains avantages. L'essentiel est l'isolement électronique des liaisons insaturées du substrat, ce qui leur permet de localiser la charge sans utiliser une fine couche d'isolant entre la structure principale et le substrat. L'utilisation d'une couche isolante a souvent été appliquée précédemment. Ici, nous avons trouvé une autre différence entre l'étude actuelle et ses prédécesseurs. Mais les intervalles exacts entre NS ont été obtenus grâce au réseau cristallin.

Comme mentionné précédemment, d'autres chercheurs ont utilisé une tension de polarisation ou même chargé des NS pour charger la polarisation. Immédiatement, l'approche est plus mécanique. Il consiste à utiliser une sonde, qui manipule directement la position d'équilibre de l'atome, ce qui permet à cet atome de devenir porteur d'une charge négative. Ainsi, l'absence de tension de polarisation et l'interaction à courte portée entre la sonde et l'atome permettent de contrôler un électron individuel.

Expérimentation

Le microscope à force atomique / tunnel Omicron LT fonctionnant à une température de 4,5 K et à un vide ultra-élevé (<1 x ^{10 -10} torr) a été utilisé comme outil principal de cette étude.


Microscope Omicron LT

Les aiguilles du microscope étaient constituées d'un fil de tungstène polycristallin gravé chimiquement, affûté par un faisceau d'ions focalisé et fixé à un capteur qPlus.


Circuit de capteur QPlus

La fréquence de résonance de l'aiguille était de 28 kHz, le facteur Q était compris entre 12 et 14 et l'amplitude était de 50 picomètres. Une électrode supplémentaire sur le capteur a également été utilisée pour fournir un courant tunnel. Toujours en plus, les aiguilles ont été affûtées par gravure à l'azote lors de la microscopie ionique.

Pendant l'étude elle-même, l'aiguille était en contact avec la surface de l'échantillon; par conséquent, des atomes de silicium sont restés sur la pointe de l'aiguille.

L'échantillon de travail lui-même était constitué de cristaux de Si fortement dopés (1,5 × 1019 atomes / cm3) (100). Ensuite, un procédé de dégazage a été réalisé à une température de 600 ° C pendant 12 heures, recuit à une température maximale de 1250 ° C, puis passivation à l'hydrogène à une température de 330 ° C.

Des liaisons insaturées se sont formées grâce à l'utilisation d'impulsions de courte tension (+2,1 V, 10 ms), lorsque l'aiguille était située directement au-dessus de l'hydrogène.


Image n ° 1

Dans l'image 1a, nous voyons 2 NS structurés au moyen de deux atomes d'hydrogène intermédiaires utilisant des impulsions de tension sur la sonde. Cette paire de NS contient 1 charge négative.

L'image du décalage de fréquence constant (∆f) semble légèrement ombrée ( 1b ). Cela est dû au fait qu'une charge négative a changé de position plusieurs fois dans le processus d'obtention de cette image. Pour être précis, la charge a semblé sauter d'une NS à l'autre, ce qui est visible lors du balayage de la structure de l'échantillon ( 1c ).

De plus, les chercheurs devaient déterminer que le changement de contraste dans les images ∆f dépend directement de l'état de charge. Pour ce faire, il a fallu analyser une NS isolée, en dehors de la paire, en effectuant la spectroscopie ∆f, qui dépend du biais. La NS en cours de spectroscopie a été chargée négativement à 0 V sur un échantillon de n-dopand ( 1d ). Nous voyons ici une transition très nette entre deux paraboles, ce qui correspond à une transition d'un état de charge neutre à un état de charge distinctif d'un NS individuel.

Dans l'image 1f, nous voyons comment la charge a changé de position en 4,8 minutes. Une observation importante est qu'une charge négative peut persister dans le système pendant plusieurs secondes.

Les chercheurs notent une caractéristique curieuse - les NS de silicium chargés négativement se stabilisent à 200 meV (millielectron-volts). Ceci est une conséquence de la relaxation du réseau, lorsque la position du noyau atomique s'élève à 30 pm au-dessus de l'état neutre. Cela permet d'éviter le tunneling entre les HC.


Image n ° 2

Il a également été constaté que l'état de la NS à 0 V dépend fortement de ∆z. La confirmation de cette affirmation a été obtenue par une série de scans par la méthode d'une hauteur constante de la structure de six NS.


Comparaison de la méthode à hauteur constante (a) et du courant tunnel constant (b).

Dans l'image supérieure 2b, on peut voir qu'à l'approximation maximale de l'aiguille sur l'échantillon (-320 pm), les six NS ont une charge négative. Si l'aiguille n'est relevée que de 50 heures au niveau de -270 heures, alors déjà 3 NS seront chargés négativement (image du bas 2b ). Mais le graphique 2c montre que ce changement ne se fait pas en douceur et linéairement, au contraire, il y a un fort écart entre -300 et -290 pm.


Image n ° 3

L'observation d'une transition abrupte, selon la hauteur de l'aiguille, ne suffit pas pour tirer une conclusion complète. Par conséquent, la spectroscopie de puissance a été réalisée à 0 V sur des NS individuels dans une paire (ligne bleue à 3a ) et au-dessus de la vacance de surface (ligne orange à 3a ). Initialement, la distance entre l'échantillon et l'aiguille était de 700 pm de plus que la hauteur de référence. Ainsi, toutes les forces entre l'aiguille et la surface de l'échantillon ont été nivelées. Jusqu'au moment où Δz = −100 pm, les trois NS sont presque les mêmes, ce qui confirme la prédominance des forces à longue portée. Une forte augmentation | ∆f | se produit lorsque ∆z atteint environ -302 pm.

Cela conduit à une hystérésis entre la courbe d'approximation et la courbe de rétraction, avec | ∆f | reste suffisamment élevé jusqu'à ce que ∆z atteigne -100 pm. Les scientifiques attribuent ce phénomène à la localisation d'une charge de paire dans le NS juste sous l'aiguille.

Pour une étude plus détaillée des modes de lecture et d'écriture, plusieurs expériences ont été réalisées avec des structures symétriques et asymétriques (sur 5 NS).


Image n ° 4

Les images 4a-c montrent les plans expérimentaux des structures symétriques ( 4d ) et asymétriques ( 4h ).

Pendant le mode d'enregistrement, l'aiguille passe sur l'image à une courte distance et en mode de lecture, l'aiguille recule de 50 pm et continue de se déplacer dans la direction opposée. Les paires d'images 4f / 4g et 4j / 4k montrent clairement que la charge à l'intérieur de la structure peut être entièrement manipulée dans les deux structures.

Dans le cas d'une structure symétrique, il a été possible de déplacer la charge dans l'un des NS de la paire intérieure: la droite (image 4f ) et la gauche ( 4g ). Ceci a été suivi d'un processus de dégénérescence, dont le résultat est montré dans l'image 4e.

Dans le cas d'une structure asymétrique, alors que le NS n'avait que 5 ans, trois d'entre eux avaient une charge négative. Ici, il était également possible de réaliser une manipulation avec la charge dans la paire intérieure de NS. Mais, compte tenu de l'asymétrie de la structure, les deux états de charge n'ont pas dégénéré.

Pour une connaissance détaillée de l'étude et des documents supplémentaires, je recommande de lire le rapport des chercheurs .

Épilogue

Les scientifiques disent que les résultats expérimentaux ci-dessus confirment la capacité réelle de manipuler des électrons à l'intérieur de structures basées sur des liaisons insaturées. L'état de charge résultant reste stable pendant plusieurs secondes, ce qui est obtenu grâce à la relaxation du réseau de silicium, qui stabilise les liaisons insaturées chargées négativement. Dans ce cas, l'outil principal de cette expérience est la sonde et le processus lui-même est complètement indépendant de la tension de polarisation.

Cette étude confirme une fois de plus que rien n'est impossible pour les scientifiques. Même les plus petits objets ne sont plus inaccessibles pour l'étude, et maintenant pour la manipulation. L'informatique quantique et les réseaux de neurones artificiels peuvent obtenir un élan supplémentaire dans le développement si cette étude se poursuit. Espérons que son potentiel est toujours aussi grand que ses auteurs le souhaitent.


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