La modelización descubre un "vals atómico" para la manipulación de átomos
Investigadores de la Facultad de Física de la Universidad de Viena, en colaboración con colegas del Laboratorio Nacional de Oak Ridge (EE.UU.), han descubierto un mecanismo no destructivo para manipular impurezas donantes en el silicio mediante la irradiación de electrones focalizada. En este novedoso proceso de intercambio indirecto, no uno sino dos átomos de silicio vecinos participan en un "vals" atómico coordinado, lo que podría abrir una vía para la fabricación de qubits en estado sólido. Los resultados se han publicado en el Journal of Physical Chemistry.
Mecanismo de intercambio indirecto para la manipulación con haz de electrones de dopantes de bismuto o antimonio en el silicio, basado en simulaciones por ordenador. La esfera carmesí es un átomo de bismuto, mientras que las esferas amarilla y verde son, respectivamente, sus vecinos de silicio más cercanos y más próximos.
© Toma Susi & Alexander Markevich / University of Vienna, Andrew R. Lupini
La ingeniería de materiales a escala atómica es un objetivo último de la nanotecnología. Ejemplos bien conocidos de manipulación de átomos con microscopía de barrido en túnel van desde la construcción de corales cuánticos hasta memorias atómicas regrabables. Sin embargo, aunque las técnicas de sonda de barrido establecidas son herramientas capaces de manipular los átomos de la superficie, no pueden llegar al grueso del material debido a su necesidad de poner en contacto una punta física con la muestra y suelen requerir el funcionamiento y el almacenamiento a temperaturas criogénicas.
Los recientes avances en la microscopía electrónica de transmisión por barrido (STEM) han despertado el interés por el uso de un haz de electrones para la manipulación de átomos, y Viena se ha convertido en uno de los principales centros de esta investigación en todo el mundo. "El punto fuerte de esta técnica es su capacidad para acceder no sólo a los átomos de la superficie, sino también a las impurezas de los cristales finos. No se trata sólo de una posibilidad teórica: nuestros colaboradores estadounidenses han demostrado recientemente la primera prueba de manipulación de dopantes de bismuto en el silicio", explica Toma Susi.
El nuevo trabajo conjunto es un estudio de modelización sistemática de la manipulación por haz de electrones de elementos dopantes del grupo V en el silicio. El equipo de Viena descubrió un nuevo tipo de mecanismo que denominan intercambio indirecto, en el que no uno sino dos átomos de silicio vecinos participan en un "vals" atómico coordinado, que explica cómo los impactos de electrones pueden mover estas impurezas dentro del grueso de la red de silicio. "Aunque este mecanismo sólo funciona para los dos elementos donantes más pesados, el bismuto y el antimonio, fue crucial descubrir que no es destructivo, ya que no es necesario eliminar ningún átomo de la red", añade Alexander Markevich.
Como avance experimental adicional, el equipo pudo demostrar por primera vez la posibilidad de manipular las impurezas de antimonio en el silicio utilizando STEM. El posicionamiento preciso de los átomos dopantes en las redes cristalinas podría permitir nuevas aplicaciones en áreas como la detección en estado sólido y la computación cuántica. Esto puede tener implicaciones apasionantes, como concluye Susi: "Hace muy poco, los dopantes de antimonio en el silicio se sugirieron como candidatos prometedores para los qubits de espín nuclear en estado sólido, y nuestro trabajo puede abrir una vía para su fabricación determinista".
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