"Berjalan" dari elektron: manipulasi dengan muatan di dalam struktur ikatan tak jenuh

Iblis dalam detailnya. Ungkapan ini dapat secara singkat dan akurat menggambarkan proses mencari blok bangunan baru dari teknologi modern. Bagaimanapun, bahkan senjata nuklir dengan semua kekuatan penghancurnya dibuat atas dasar proses yang terjadi pada tingkat atom. Hari ini kita akan berkenalan dengan studi yang juga memengaruhi atom, tetapi tidak untuk kehancurannya, tetapi untuk penciptaan. Yakni, kontrol elektron dan perilakunya, yang akan membantu pengembangan teknologi komputasi kuantum dan jaringan saraf tiruan. Bagaimana para ilmuwan mengelola, dengan kata lain, untuk meletakkan elektron di tali dan berjalan di sepanjang jalur yang diberikan, kita belajar dari laporan mereka. Ayo pergi.

Dasar studi

Selama beberapa tahun terakhir, ada jauh lebih dari satu studi di bidang manipulasi dengan elektron, sifat-sifatnya, perilaku dan keadaannya. Banyak ilmuwan menganggap arahan ini sangat menjanjikan, yang lain menyebutnya sangat penting untuk teknologi masa depan. Dalam hal ini, muncul pertanyaan logis - bagaimana penelitian ini berbeda dari pendahulunya? Peneliti memberikan jawaban yang cukup jelas - tegangan bias. Studi sebelumnya mengandalkan dia, mencapai kontrol atas elektron, atau lebih tepatnya, pada proses transisi muatan. Dengan demikian, arus tunneling tidak signifikan telah dicapai, dan manipulasi muatan dilakukan dengan mengangkut masing-masing elektron.

Dalam kasus penelitian hari ini, prosedurnya telah diubah. Para ilmuwan berhasil mendapatkan kendali atas muatan di dalam struktur nano atom berdasarkan peristiwa elektron tunggal, tetapi tanpa perlu menerapkan tegangan bias.


Contoh ikatan tak jenuh silikon

Dasar material untuk penelitian ini adalah ikatan tak jenuh silikon (selanjutnya NS) pada permukaan hidrogen pasif Si (100) -2x1. Para ilmuwan mencatat bahwa penggunaan silikon memiliki kelebihan tertentu. Yang utama adalah isolasi elektronik ikatan tak jenuh dari substrat, yang memungkinkan mereka untuk melokalisasi muatan tanpa menggunakan lapisan tipis isolator antara struktur utama dan substrat. Penggunaan lapisan isolasi sering diterapkan sebelumnya. Di sini kami telah menemukan perbedaan lain antara studi saat ini dan pendahulunya. Tetapi interval yang tepat antara NS diperoleh karena kisi kristal.

Seperti disebutkan sebelumnya, peneliti lain menggunakan tegangan bias atau bahkan NS dibebankan untuk mengisi bias. Segera pendekatannya lebih mekanis. Terdiri dari penggunaan probe, yang secara langsung memanipulasi posisi kesetimbangan atom, yang memungkinkan atom ini menjadi pembawa muatan negatif. Dengan demikian, tidak adanya tegangan bias dan interaksi jarak pendek antara probe dan atom memungkinkan untuk mencapai kontrol atas elektron individu.

Eksperimen

Mikroskop kekuatan atom / terowongan Omicron LT yang beroperasi pada suhu 4,5 K dan vakum sangat tinggi (<1 x ^{10 -10} torr) digunakan sebagai alat utama penelitian ini.


Omicron LT Microscope

Jarum mikroskop terbuat dari kawat tungsten polikristalin, yang secara kimia terukir, dipertajam oleh sinar ion terfokus, dan melekat pada sensor qPlus.


Sirkuit sensor QPlus

Frekuensi resonansi jarum 28 kHz, faktor Q berada di kisaran 12 ... 14, dan amplitudo 50 pikometer. Elektroda tambahan pada sensor juga digunakan untuk menyediakan arus tunneling. Masih di samping itu, jarum dipertajam oleh etsa nitrogen selama mikroskop ion.

Selama penelitian itu sendiri, jarum itu bersentuhan dengan permukaan sampel, sebagai akibatnya, atom silikon tetap di ujung jarum.

Sampel yang bekerja sendiri terbuat dari kristal Si yang sangat didoping (1,5 × 1019 / cm3) (100). Selanjutnya, proses degassing dilakukan pada suhu 600 ° C selama 12 jam, anil dengan suhu maksimum 1250 ° C, dan kemudian pasivasi dengan hidrogen pada suhu 330 ° C.

Ikatan tak jenuh terbentuk melalui penggunaan pulsa tegangan pendek (+2,1 V, 10 ms), ketika jarum berada tepat di atas hidrogen.


Gambar No. 1

Pada gambar 1a, kita melihat 2 NS terstruktur dengan menggunakan dua atom hidrogen antara menggunakan pulsa tegangan pada probe. Pasangan NS ini mengandung 1 muatan negatif.

Gambar pergeseran frekuensi konstan (∆f) tampaknya sedikit teduh ( 1b ). Ini disebabkan oleh fakta bahwa muatan negatif mengubah posisi beberapa kali dalam proses memperoleh gambar ini. Lebih tepatnya, muatan tampaknya melompat dari satu NS ke yang lain, yang terlihat ketika memindai struktur sampel ( 1c ).

Lebih lanjut, para peneliti perlu menentukan bahwa perubahan kontras pada gambar secara langsung tergantung pada kondisi biaya. Untuk melakukan ini, perlu untuk menganalisis NS yang terisolasi, di luar pasangan, dengan melakukan spektroskopi, yang tergantung pada bias. NS dalam proses spektroskopi bermuatan negatif pada 0 V pada sampel dengan n-dopand ( 1d ). Di sini kita melihat transisi yang sangat tajam antara dua parabola, yang sesuai dengan transisi dari keadaan netral ke kondisi muatan berbeda dari NS individu.

Pada gambar 1f, kita melihat bagaimana muatan berubah posisi dalam 4,8 menit. Pengamatan penting adalah bahwa muatan negatif dapat bertahan dalam sistem selama beberapa detik.

Para peneliti mencatat fitur yang aneh - NS silikon bermuatan negatif menstabilkan pada 200 meV (milielectron-volts). Ini adalah konsekuensi dari relaksasi kisi, ketika posisi inti atom naik 30 jam di atas keadaan netral. Ini membantu mencegah tunneling antar HCs.


Gambar No. 2

Juga ditemukan bahwa keadaan NS pada 0 V sangat tergantung pada ∆z. Konfirmasi pernyataan ini diperoleh dengan serangkaian pemindaian dengan metode ketinggian konstan struktur enam NS.


Perbandingan metode ketinggian konstan (a) dan arus tunneling konstan (b).

Pada gambar atas 2b, dapat dilihat bahwa pada perkiraan maksimum jarum terhadap sampel (-320 siang), keenam NS memiliki muatan negatif. Jika jarum dinaikkan hanya pada jam 50 sore ke level -270 sore, maka sudah 3 NS akan terisi negatif (gambar bawah 2b ). Tetapi grafik 2c menunjukkan bahwa perubahan ini tidak terjadi dengan lancar dan linier, sebaliknya, ada celah yang kuat antara -300 dan -290 pm.


Gambar No. 3

Pengamatan satu transisi tiba-tiba, tergantung pada ketinggian jarum, tidak cukup untuk membuat kesimpulan penuh. Oleh karena itu, spektroskopi daya dilakukan pada 0 V pada NSs individu dalam pasangan (garis biru pada 3a ) dan di atas kekosongan permukaan (garis oranye pada 3a ). Awalnya, jarak antara sampel dan jarum adalah 700 pm lebih dari ketinggian referensi. Dengan demikian, semua kekuatan antara jarum dan permukaan sampel diratakan. Sampai saat ketika Δz = −100 pm, ketiga NS hampir sama, yang menegaskan dominasi kekuatan jarak jauh. Peningkatan tajam | ∆f | terjadi ketika reachesz mencapai sekitar -302 sore.

Ini mengarah ke histeresis antara kurva aproksimasi dan kurva retraksi, dengan | ∆f | tetap cukup tinggi hingga ∆z mencapai −100 pm. Para ilmuwan menghubungkan fenomena ini dengan pelokalan muatan pasangan di NS tepat di bawah jarum.

Untuk studi yang lebih rinci dari mode baca dan tulis, beberapa percobaan dilakukan dengan struktur simetris dan asimetris (dari 5 NS).


Gambar No. 4

Gambar 4a-c menunjukkan desain eksperimental struktur simetris ( 4d ) dan asimetris ( 4h ).

Selama mode perekaman, jarum melewati gambar pada jarak pendek, dan dalam mode membaca, jarum bergerak mundur pada jam 50 malam dan terus bergerak ke arah yang berlawanan. Pasangan gambar 4f / 4g dan 4j / 4k jelas menunjukkan bahwa muatan di dalam struktur dapat sepenuhnya dimanipulasi dalam kedua struktur.

Dalam kasus struktur simetris, dimungkinkan untuk memindahkan muatan ke salah satu NS dari pasangan dalam: kanan (gambar 4f ) dan kiri ( 4g ). Proses degenerasi diikuti, yang hasilnya ditunjukkan pada gambar 4e.

Dalam kasus struktur asimetris, ketika NS hanya 5, tiga dari mereka memiliki muatan negatif. Di sini, itu juga mungkin untuk mencapai manipulasi dengan muatan di pasangan bagian dalam NS. Tetapi, dengan mempertimbangkan asimetri struktur, kedua kondisi muatan tidak mengalami kemunduran.

Untuk seorang kenalan terperinci dengan penelitian dan bahan tambahan untuk itu, saya sarankan membaca laporan para peneliti .

Epilog

Para ilmuwan mengatakan bahwa hasil eksperimen di atas mengkonfirmasi kemampuan nyata untuk memanipulasi elektron di dalam struktur berdasarkan ikatan tak jenuh. Status pengisian yang dihasilkan tetap stabil selama beberapa detik, yang dicapai karena relaksasi kisi silikon, yang menstabilkan ikatan tak jenuh bermuatan negatif. Dalam hal ini, alat utama dalam percobaan ini adalah probe, dan proses itu sendiri sepenuhnya terlepas dari tegangan bias.

Studi ini sekali lagi menegaskan bahwa tidak ada yang mustahil bagi para ilmuwan. Bahkan objek terkecil tidak lagi tidak dapat diakses untuk dipelajari, dan sekarang untuk manipulasi. Komputasi kuantum dan jaringan saraf tiruan bisa mendapatkan dorongan tambahan dalam pengembangan jika penelitian ini berlanjut. Mari kita berharap bahwa potensinya masih sebesar yang penulis inginkan.


Terima kasih telah tinggal bersama kami. Apakah Anda suka artikel kami? Ingin melihat materi yang lebih menarik? Dukung kami dengan melakukan pemesanan atau merekomendasikannya kepada teman-teman Anda, diskon 30% untuk pengguna Habr pada analog unik dari server entry-level yang kami buat untuk Anda: Seluruh kebenaran tentang VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps dari $ 20 atau bagaimana membagi server? (opsi tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).

VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps hingga Desember secara gratis ketika membayar untuk jangka waktu enam bulan, Anda dapat memesan di sini .

Dell R730xd 2 kali lebih murah? Hanya kami yang memiliki 2 x Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 TV dari $ 249 di Belanda dan Amerika Serikat! Baca tentang Cara Membangun Infrastruktur Bldg. kelas menggunakan server Dell R730xd E5-2650 v4 seharga 9.000 euro untuk satu sen?