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Le degré ultime de contrôle pour l’ingénierie serait la capacité de créer et de manipuler des matériaux au niveau le plus élémentaire, en fabriquant des dispositifs atome par atome avec un contrôle d’une précision inégalée.

Manipuler des atomes un seul à la fois

Maintenant, des scientifiques du MIT, de l’Université de Vienne et de plusieurs autres institutions ont fait un pas dans cette direction en développant une méthode permettant de repositionner les atomes avec un faisceau d’électrons hautement focalisé et de contrôler leur emplacement exact et leur orientation de liaison.
Cette découverte pourrait finalement déboucher sur de nouvelles façons de fabriquer des dispositifs ou des capteurs d’informatique quantique et d’entamer un nouvel âge de «l’ingénierie atomique», disent-ils. Cette avancée est décrite dans la revue Science Advances, dans un article de M. Ju Li, professeur de science nucléaire et d’ingénierie au MIT, de M. Cong Su, étudiant diplômé, de M. Toma Susi, professeur à l’Université de Vienne, et de 13 autres personnes au MIT, Oak Ridge National Laboratory, et en Chine, en Équateur et au Danemark.
Tandis que d’autres chercheurs avaient précédemment manipulé les positions d’atomes individuels, créant même un cercle net d’atomes sur une surface; ce processus impliquait de capter des atomes individuels sur la pointe en forme d’aiguille d’un microscope à effet tunnel et de les déposer ensuite par un processus mécanique.
Ce nouveau procédé manipule les atomes à l’aide d’un faisceau d’électrons relativiste dans un microscope électronique à balayage en transmission (STEM), de sorte qu’il peut être entièrement contrôlé électroniquement par des lentilles magnétiques et ne nécessite aucune pièce mécanique en mouvement. Cela accélère potentiellement le processus et pourrait donc mener à des applications plus simples et plus pratiques.
En utilisant des commandes électroniques et une intelligence artificielle, «nous pensons pouvoir éventuellement manipuler des atomes à des échelles de temps en microsecondes», explique Li. «C’est beaucoup plus grand que nous ne pouvons maintenant les manipuler avec des sondes mécaniques. De plus, il devrait être possible d’avoir plusieurs faisceaux d’électrons travaillant simultanément sur le même morceau de matériau.’

Un nouveau paradigme 

« C’est un nouveau paradigme excitant pour la manipulation des atomes », a déclaré Susi.
Les puces informatiques sont généralement fabriquées en «dopant» un cristal de silicium avec d’autres atomes nécessaires pour lui conférer des propriétés électriques spécifiques, créant ainsi des «défauts» dans le matériau – des régions qui ne conservent pas la structure cristalline parfaitement ordonnée du silicium. Mais ce processus est aléatoire, explique Li, alors il n’y a aucun moyen de contrôler avec une précision atomique la destination de ces atomes dopants. Ce nouveau système permet un positionnement exact, dit-il.
Le même faisceau d’électrons peut être utilisé pour renverser un atome d’une position à l’autre, puis pour «lire» la nouvelle position afin de vérifier que l’atome se trouve là où il était censé se trouver, explique Li. Alors que le positionnement est essentiellement déterminé par les probabilités et n’est pas précis à 100%, la possibilité de déterminer la position réelle permet de sélectionner uniquement ceux qui se sont retrouvés dans la bonne configuration.

Des atomes de phosphore dans une feuille de graphène

Dans les expériences menées par l’équipe, ils ont principalement utilisé des atomes de phosphore, un dopant couramment utilisé, dans une feuille de graphène, une feuille d’atomes de carbone bidimensionnelle disposée en nid d’abeilles. Les atomes de phosphore finissent par se substituer aux atomes de carbone dans certaines parties de ce motif, modifiant ainsi ses propriétés électroniques, optiques et autres du matériau d’une manière qui peut être prédite.
C’est la première fois que des atomes de dopant distincts électroniquement sont manipulés dans du graphène. «Bien que nous ayons déjà travaillé avec des impuretés de silicium, le phosphore est potentiellement plus intéressant pour ses propriétés électriques et magnétiques, mais, comme nous l’avons maintenant découvert, il se comporte également de manière étonnamment différente. Chaque élément peut offrir de nouvelles surprises et possibilités », ajoute Susi.
En plus des tests expérimentaux détaillés et de l’observation des effets de différents angles et positions des faisceaux et du graphène, l’équipe a également mis au point une base théorique permettant de prédire les effets, appelée formalisme primaire d’espace d’introduction. Nous avons fait ces expériences et avons également donné un cadre théorique sur la façon de contrôler ce processus ”, dit Li.

Un spin non nul est une propriété essentielle pour des dispositifs à base quantique 

Les atomes dopants tels que le phosphore ont un spin nucléaire non nul, une propriété essentielle des dispositifs à base quantique car cet état de spin est facilement affecté par des éléments de son environnement tels que les champs magnétiques. Ainsi, la capacité de placer ces atomes avec précision, en matière de position et de liaison, pourrait être une étape importante vers le développement de dispositifs de traitement ou de détection de l’information quantique, explique Li.
«Il s’agit d’une avancée importante dans ce domaine», déclare Alex Zettl, professeur de physique à l’Université de Californie à Berkeley, qui n’a pas participé à cette recherche. «Les atomes d’impuretés et les défauts d’un réseau cristallin sont au cœur de l’industrie électronique. Au fur et à mesure que les dispositifs à semi-conducteurs deviennent de plus en plus petits, jusqu’à l’échelle nanométrique, il devient de plus en plus important de savoir précisément où se trouve un seul atome d’impureté ou un seul défaut, et quels sont ses environnements atomiques. »

Un progrès significatif

Un objectif extrêmement difficile consiste à disposer d’une méthode évolutive permettant de manipuler ou de placer de manière contrôlable des atomes individuels aux emplacements souhaités, ainsi que de prévoir avec précision l’effet qu’aura cette manipulation sur les performances d’un dispositif. » Zettl explique que ces chercheurs «ont fait un progrès significatif dans la réalisation de cet objectif. Ils utilisent un faisceau d’électrons focalisé à énergie modérée pour produire un réarrangement ciblé des atomes et les observent en temps réel, à l’échelle atomique. Un traité théorique élégant, doté d’un pouvoir prédictif impressionnant, complète ces expériences. »
Source : MIT
Crédit photo sur Unsplash : Tianyi Ma

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