重排原子的新方法或可研发强大的量子计算芯片 | 广东省智能创新协会

发布日期:2019-06-11 10:00
向硅晶片添加杂质的精细艺术是半导体工程的核心,也是计算机行业的核心。但是,这种精细的艺术尚未经过如此精细的调整,以至于工程师可以将杂质控制到单个原子的水平。


该图示出了如何使用电子束将磷原子撞击到石墨层内的新点

然而,随着技术缩小到纳米尺寸和更小,各个杂质的放置将变得越来越重要。上个月科学家们现在可以通过使用电子束将它们像一块草地上的槌球一样敲击它们来重新排列一块石墨烯中的单个杂质(在这种情况下,单个磷原子)。该技术也比用扫描电子显微镜尖端戳戳原子的传统方法更精确。


这一发现表明了单原子电子工程的新先锋。麻省理工学院核科学与工程学教授,研究小组成员Ju Li说,现在,个别原子只能在扫描隧道显微镜的尖端笨拙地机械地移动。

相反,使用扫描透射电子显微镜(STEM)的电子束,现在也可以使用能够成像原子景观的相同装置来推动单个原子穿过该景观。并且因为光束由磁场控制,所以它可以在隧道显微镜的尖端从一个地方到另一个地方机械操纵所需的时间的一小部分中执行其操作。(李说他的团队的新技术实际上可以在几微秒的时间内移动原子。)

最重要的是,没有任何东西可以防止新技术被同时运行的许多电子束推出--可能是智能算法,而不是人类操作员,操纵光束。这可能意味着这些单原子电子工程技术可能能够扩展到技术上有用的水平,而不仅仅局限于一次性实验室工作台古玩。

“我们可以在每个原子所在的位置绝对确定地在我们想要的位置创建缺陷,”Li说。“所以这是一个完全不同的工程体制。”

然后,在本研究的情况下,将具有预先存在的掺杂剂磷原子的石墨烯片放入其整个晶格中,将其放入STEM中。电子显微镜对大部分碳片进行成像,并找到磷杂质所在的斑点。研究人员然后用电子束移动那些磷原子。 

李说新作品提出了几项新颖的创新。第一个是如此迅速地移动单个原子的简单能力以及扩大这种技术的潜力。因此,其可扩展性的基础是他们的另一个主要创新:描述如何以及在何处指向电子束以使原子杂质通过石墨烯晶格轻推到其最终目的地的理论。

该计划,研究人员称之为“初级连锁空间”(PKS)理论,就像是台球特技镜头的终极目录。来自原子X的角度和能量如此之大,你会发现它与下一个碳原子交换位置。等等。

因此,他们的PKS理论为任何智能算法提供了数学上的胆量,这些智能算法有一天可能会自动地将磷(或其他杂质)移动到2D晶格周围。

事实上,李说,PKS理论现在似乎适用于其他二维原子片中的其他杂质。一种显示出像石墨烯一样前景的平面材料(以及 Spectrum 之前已经介绍过的)是所谓的六方氮化硼。

h-BN中的杂质目前是量子传感器和量子计算芯片的有吸引力的候选者。今年早些时候, Spectrum公司开展 了一项研究工作,旨在开发各种杂质的量子位,无论它们位于h-BN板上。李说,他的小组正在努力将这些杂质转移到h-BN周围,因此它们不是随机放置,而是放在预定的位置。

“那里有一个生态系统,”李说,今天为h-BN开发的量子技术。“这就像鸡和鸡蛋的情况。人们说如果我们在h-BN中存在这种缺陷会很好,但他们不知道如何创建它。我们可以创造一大堆缺陷,但我们不知道我们能做什么样的量子技术。”