"Andar" de um elétron: manipulações com uma carga dentro da estrutura de ligações não saturadas

O diabo nos detalhes. Essa frase pode descrever de maneira muito breve e precisa o processo de pesquisa de novos componentes da tecnologia moderna. Afinal, mesmo as armas nucleares com todo o seu poder destrutivo foram criadas com base nos processos que ocorrem no nível atômico. Hoje vamos nos familiarizar com um estudo que também afeta átomos, mas não por sua destruição, mas pela criação. Ou seja, o controle dos elétrons e seu comportamento, o que ajudará o desenvolvimento de tecnologias de computação quântica e redes neurais artificiais. Como os cientistas conseguiram, por assim dizer, colocar um elétron na coleira e percorrê-lo por um determinado caminho, aprendemos com o relatório. Vamos lá

Base de estudo

Nos últimos anos, houve muito mais de um estudo no campo das manipulações com elétrons, suas propriedades, comportamento e estado. Muitos cientistas consideram essa direção muito promissora, outros a chamam de fundamental importância para as tecnologias futuras. Nesse caso, surge uma pergunta lógica - como esse estudo difere de seus antecessores? Os pesquisadores fornecem uma tensão de viés de resposta bastante clara. Estudos anteriores se baseavam precisamente nele, obtendo controle sobre o elétron, ou melhor, sobre o processo de transição de cargas. Assim, uma corrente de tunelamento insignificante foi alcançada e manipulações de carga foram realizadas transportando elétrons individuais.

No caso do estudo de hoje, o procedimento foi alterado. Os cientistas conseguiram ganhar controle sobre a carga dentro de uma nanoestrutura atômica com base em eventos de elétron único, mas sem a necessidade de aplicar uma tensão de polarização.


Um exemplo de ligações insaturadas de silício

A base material para o estudo foram as ligações insaturadas de silício (doravante NS) na superfície Si (100) -2x1 passivada por hidrogênio. Os cientistas observam que o uso de silício tem certas vantagens. O principal é o isolamento eletrônico das ligações não saturadas do substrato, o que lhes permite localizar a carga sem usar uma fina camada de isolador entre a estrutura principal e o substrato. O uso de uma camada isolante tem sido frequentemente aplicado anteriormente. Aqui encontramos outra diferença entre o estudo atual e seus antecessores. Mas os intervalos exatos entre NS foram obtidos devido à estrutura cristalina.

Como mencionado anteriormente, outros pesquisadores usaram voltagem de polarização ou até cobraram NSs para carregar polarização. Imediatamente a abordagem é mais mecânica. Consiste no uso de uma sonda, que manipula diretamente a posição de equilíbrio do átomo, o que permite que esse átomo se torne portador de uma carga negativa. Assim, a ausência de tensão de polarização e a interação de curto alcance entre a sonda e o átomo tornam possível obter controle sobre um elétron individual.

Experimentação

O microscópio Omicron LT de força atômica / túnel operando a uma temperatura de 4,5 K e vácuo ultra-alto (<1 x ^{10 -10} torr) foi usado como a principal ferramenta deste estudo.


Omicron LT Microscope

As agulhas do microscópio eram feitas de fio de tungstênio policristalino, quimicamente gravado, afiado por um feixe de íons focado e conectado a um sensor qPlus.


Circuito do sensor QPlus

A frequência de ressonância da agulha era de 28 kHz, o fator Q estava na faixa de 12 a 14 e a amplitude era de 50 picômetros. Um eletrodo adicional no sensor também foi usado para fornecer corrente de tunelamento. Além disso, as agulhas foram afiadas pelo ataque de nitrogênio durante a microscopia iônica.

Durante o próprio estudo, a agulha estava em contato com a superfície da amostra e, como resultado, os átomos de silício permaneceram na ponta da agulha.

A amostra de trabalho em si foi feita de cristais de Si altamente dopados (1,5 × 1019 átomos / cm3) (100). Em seguida, um processo de desgaseificação foi realizado a uma temperatura de 600 ° C por 12 horas, recozimento com uma temperatura máxima de 1250 ° C e depois passivação com hidrogênio a uma temperatura de 330 ° C.

As ligações não saturadas foram formadas através do uso de pulsos de voltagem curta (+2,1 V, 10 ms), quando a agulha estava localizada diretamente acima do hidrogênio.


Imagem Nº 1

Na imagem 1a, vemos 2 NSs estruturados por meio de dois átomos intermediários de hidrogênio usando pulsos de tensão na sonda. Este par de NS contém 1 carga negativa.

A imagem da mudança de frequência constante (∆f) parece ligeiramente sombreada ( 1b ). Isso se deve ao fato de uma carga negativa ter mudado de posição várias vezes no processo de obtenção dessa imagem. Para ser mais preciso, a carga parecia saltar de um NS para outro, o que é visto ao escanear a estrutura da amostra ( 1c ).

Além disso, os pesquisadores precisaram determinar que a mudança no contraste nas imagens depende diretamente do estado de carga. Para isso, foi necessário analisar um NS isolado, fora do par, realizando ∆f espectroscopia, dependente do viés. O NS no processo de espectroscopia foi carregado negativamente a 0 V em uma amostra com n-dopando ( 1d ). Aqui vemos uma transição muito nítida entre duas parábolas, que corresponde a uma transição de um estado de carga neutro para um distinto de carga de um NS individual.

Na imagem 1f, vemos como a carga mudou de posição em 4,8 minutos. Uma observação importante é que uma carga negativa pode persistir no sistema por vários segundos.

Os pesquisadores observam uma característica curiosa - os NSs de silício com carga negativa estabilizam em 200 meV (milieletron-volts). Isso é uma conseqüência do relaxamento da rede, quando a posição do núcleo atômico sobe 30 horas acima do estado neutro. Isso ajuda a evitar o tunelamento entre os HCs.


Imagem No. 2

Verificou-se também que o estado do NS em 0 V depende fortemente de ∆z. A confirmação desta afirmação foi obtida por uma série de varreduras pelo método de uma altura constante da estrutura de seis NS.


Comparação do método de altura constante (a) e corrente de tunelamento constante (b).

Na imagem superior 2b, pode-se observar que, na aproximação máxima da agulha da amostra (-320 pm), todas as seis NSs têm carga negativa. Se a agulha for elevada apenas às 50 pm até o nível de -270 pm, então 3 NS já estarão carregados negativamente (figura 2b inferior). Mas o gráfico 2c mostra que essa alteração não ocorre de maneira suave e linear; pelo contrário, há uma forte diferença entre -300 e -290 pm.


Imagem No. 3

A observação de uma transição abrupta, dependendo da altura da agulha, não é suficiente para concluir completamente. Portanto, a espectroscopia de potência foi realizada a 0 V em NSs individuais em um par (linha azul em 3a ) e acima da vaga na superfície (linha laranja em 3a ). Inicialmente, a distância entre a amostra e a agulha era de 700 pm a mais que a altura de referência. Assim, todas as forças entre a agulha e a superfície da amostra foram niveladas. Até o momento em que Δz = −100 pm, todos os três NSs são quase os mesmos, o que confirma a predominância de forças de longo alcance. Um aumento acentuado | ocorre quando reachesz atinge aproximadamente -302 pm.

Isso leva a uma histerese entre a curva de aproximação e a curva de retração, com | ∆f | permanece suficientemente alto até ∆z atingir -100 pm. Os cientistas atribuem esse fenômeno à localização de uma carga de pares no NS logo abaixo da agulha.

Para um estudo mais detalhado dos modos de leitura e gravação, vários experimentos foram realizados com estruturas simétricas e assimétricas (de 5 NS).


Imagem No. 4

As imagens 4a-c mostram os desenhos experimentais das estruturas simétricas ( 4d ) e assimétricas ( 4h ).

Durante o modo de gravação, a agulha passa sobre a imagem a uma curta distância e, no modo de leitura, a agulha retrocede 50 horas e continua a se mover na direção oposta. Os pares de imagens 4f / 4g e 4j / 4k mostram claramente que a carga dentro da estrutura pode ser totalmente manipulada nas duas estruturas.

No caso de uma estrutura simétrica, foi possível transferir a carga para um dos NSs do par interno: o direito (imagem 4f ) e o esquerdo ( 4g ). Isto foi seguido por um processo de degeneração, cujo resultado é mostrado na imagem 4e.

No caso de uma estrutura assimétrica, quando o NS tinha apenas 5 anos, três deles apresentavam carga negativa. Aqui, também foi possível conseguir manipulação com a carga no par interno de NS. Mas, levando em conta a assimetria da estrutura, os dois estados de carga não se degeneraram.

Para um conhecimento detalhado do estudo e materiais adicionais, recomendo a leitura do relatório dos pesquisadores .

Epílogo

Os cientistas dizem que os resultados experimentais acima confirmam a real capacidade de manipular elétrons dentro de estruturas com base em ligações não saturadas. O estado de carga resultante permanece estável por vários segundos, o que é alcançado devido ao relaxamento da rede de silício, que estabiliza ligações insaturadas carregadas negativamente. Nesse caso, a principal ferramenta nesse experimento é a sonda, e o próprio processo é completamente independente da tensão de polarização.

Este estudo confirma mais uma vez que nada é impossível para os cientistas. Mesmo os objetos menores não são mais inacessíveis para estudo e agora para manipulação. A computação quântica e as redes neurais artificiais podem receber um impulso adicional no desenvolvimento se este estudo continuar. Vamos torcer para que seu potencial ainda seja tão grande quanto seus autores desejam.


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