开发这项新技术的科学家说，一项连续地将单个原子精确地放置在需要的位置的新技术，可能会为解决量子计算和通信领域的关键需求带来新材料，这些需求是传统方法无法生产的。
美国能源部橡树岭国家实验室的一个研究小组发明了一种新颖的先进显微镜工具，可以用原子“书写”，将这些原子精确地放置在需要它们的地方，从而赋予材料新的特性。
“通过在原子尺度上的研究，我们也在量子特性自然出现并持续存在的尺度上工作，”领导这项研究的材料科学家斯蒂芬·杰西说，他是ORNL纳米相材料科学中心纳米材料表征部门的负责人。
“我们的目标是利用这种改进的量子行为作为未来设备的基础，这些设备依赖于独特的量子现象，如纠缠，用于改进计算机，创造更安全的通信和提高探测器的灵敏度。”
为了改进对原子的控制，研究小组创造了一种他们称之为合成仪的工具，将合成与先进的显微镜相结合。研究人员使用扫描透射电子显微镜(STEM)，将其转化为原子尺度的材料操作平台。
合成器将把制造技术的水平提高到单个材料构建块的水平。这种新方法允许研究人员在材料的特定位置放置不同的原子;新原子和它们的位置可以被选择来赋予材料新的性质。
ORNL的材料科学家ondrej Dyck说:“传统计算机使用的比特可以是0也可以是1，通过翻转这些比特来进行计算。”“量子计算机使用量子位，它可以同时是0和1。量子位也可以纠缠在一起，一个量子位连接到另一个量子位的状态。这种量子比特纠缠系统可以比经典计算机更快地解决某些问题。棘手的部分是保持这些微妙的量子位稳定并在现实世界中正常工作。
“解决这些挑战的一个策略是在量子力学更自然存在的尺度上——在原子尺度上——建立和运行。我们意识到，如果我们有一台可以分辨原子的显微镜，我们就可以用同样的显微镜来移动原子或以原子精度改变材料。我们还希望能够将原子添加到我们创建的结构中，所以我们需要原子的供应。这个想法演变成了一个原子尺度的合成平台——合成器。”
这很重要，因为原子对材料的定制能力可以应用于量子信息科学的许多未来技术应用，更广泛地应用于微电子和催化，以及对材料合成过程的更深入了解。这项工作可以促进原子规模的制造，这是出了名的具有挑战性。
戴克说:“简单地说，我们现在可以开始把原子放在我们想要的地方，我们可以考虑创建原子阵列，它们精确地排列在一起，足够紧密，可以纠缠在一起，从而共享它们的量子特性，这是使量子设备比传统设备更强大的关键。”
这些设备可能包括量子计算机——一种被提议的下一代计算机，其速度可能远远超过当今最快的超级计算机;量子传感器;量子通信设备需要一个单光子源来创建一个安全的量子通信系统。
“我们不仅仅是在移动原子，”杰西说。“我们证明，我们可以在材料中添加各种各样的原子，这些原子以前是不存在的，并把它们放在我们想要的地方。目前还没有一种技术可以让你把不同的元素精确地放在你想要的地方，并有正确的键合和结构。有了这项技术，我们可以从原子开始构建结构，根据它们的电子、光学、化学或结构特性进行设计。”
科学家们是CNMS的一部分，CNMS是纳米科学研究中心和美国能源部科学办公室的用户设施，他们在一年的时间里，在科学期刊上发表了四篇论文，详细介绍了他们的研究和他们的愿景，从证明合成器可以实现的原理开始。他们已经申请了这项技术的专利。
戴克说:“有了这些论文，我们正在重新定位电子束在原子尺度上的制造方式。”“这些手稿概述了我们认为原子制造技术在不久的将来将采取的方向，以及推进该领域所需的概念化变化。”
通过使用电子束或电子束来移除和沉积原子，ORNL的科学家们可以在原子水平上完成直接写入程序。
“这个过程非常直观，”ORNL的Andrew Lupini说，他是STEM小组的负责人和研究小组的成员。“stem的工作原理是通过材料传输高能电子束。电子束被聚焦到一个比原子间距离还小的点上，并扫描整个材料，以产生具有原子分辨率的图像。然而，stem因破坏它们正在成像的材料而臭名昭著。”
科学家们意识到他们可以利用这种破坏性的“bug”，而不是把它作为一个建设性的特征，故意制造洞。然后，他们可以把任何他们想要的原子放进洞里，就在他们制造缺陷的地方。通过故意破坏材料，他们创造了一种具有不同和有用性能的新材料。
“我们正在探索按需制造这些缺陷的方法，这样我们就可以将它们放置在我们想要的地方，”Jesse说。“由于stem具有原子尺度的成像能力，而且我们使用的材料非常薄，只有几个原子的厚度，因此我们可以看到每个原子。因此，我们正在实时地在原子尺度上操纵物质。这就是我们的目标，我们实际上正在实现它。”
为了演示这种方法，研究人员在石墨烯晶格上来回移动电子束，制造出微小的孔。他们将锡原子插入这些孔中，从而实现了一个连续的、一个原子接一个原子的直接书写过程，从而将锡原子填充到碳原子所在的相同位置。
“我们相信，使用相对简单的策略，原子尺度的合成过程可以成为常规问题。当与自动光束控制和人工智能驱动的分析和发现相结合时，合成器的概念为原子合成过程和原子尺度制造的独特方法提供了一个窗口，”Jesse说。
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