‘Escrever’ com átomos pode transformar a fabricação de materiais para dispositivos quânticos

Uma nova tecnologia para colocar continuamente átomos individuais exatamente onde eles são necessários pode levar a novos materiais para dispositivos que atendem a necessidades críticas no campo da computação quântica e comunicação que não podem ser produzidas por meios convencionais, dizem os cientistas que a desenvolveram.

Uma equipe de pesquisa do Laboratório Nacional de Oak Ridge do Departamento de Energia criou uma nova ferramenta avançada de microscopia para “escrever” com átomos, colocando-os exatamente onde são necessários para dar novas propriedades ao material.

“Ao trabalhar na escala atômica, também trabalhamos na escala em que as propriedades quânticas surgem e persistem naturalmente”, disse Stephen Jesse, cientista de materiais que lidera esta pesquisa e chefia a seção de Caracterizações de Nanomateriais no Centro de Ciências de Materiais Nanofásicos do ORNL, ou CNMS.

“Nosso objetivo é usar esse acesso aprimorado ao comportamento quântico como base para futuros dispositivos que dependem de fenômenos exclusivamente quânticos, como o emaranhamento, para melhorar computadores, criar comunicações mais seguras e aumentar a sensibilidade dos detectores.”

Para obter controle aprimorado sobre átomos, a equipe de pesquisa criou uma ferramenta que eles chamam de sintescópio para combinar síntese com microscopia avançada. Os pesquisadores usam um microscópio eletrônico de transmissão de varredura, ou STEM, transformado em uma plataforma de manipulação de material em escala atômica.

O sintescópio avançará o estado da arte na fabricação até o nível dos blocos de construção individuais dos materiais. Essa nova abordagem permite que pesquisadores coloquem diferentes átomos em um material em locais específicos; os novos átomos e seus locais podem ser selecionados para dar novas propriedades ao material.

“Computadores clássicos usam bits, que podem ser 0 ou 1, e fazem cálculos invertendo esses bits”, disse Ondrej Dyck, do ORNL, um cientista de materiais que contribui para a pesquisa. “Computadores quânticos usam qubits, que podem ser 0 e 1 ao mesmo tempo. Os qubits também podem ficar emaranhados, com um qubit conectado ao estado de outro. Esse sistema emaranhado de qubits pode ser usado para resolver certos problemas muito mais rápido do que computadores clássicos. A parte complicada é manter esses qubits delicados estáveis ​​e funcionando corretamente no mundo real.

“Uma estratégia para lidar com esses desafios é construir e operar na escala em que a mecânica quântica existe mais naturalmente — na escala atômica. Percebemos que se tivermos um microscópio que possa resolver átomos, poderemos usar o mesmo microscópio para mover átomos ou alterar materiais com precisão atômica. Também queremos ser capazes de adicionar átomos às estruturas que criamos, então precisamos de um suprimento de átomos. A ideia se transformou em uma plataforma de síntese em escala atômica — o sintescópio.”

Isso é importante porque a capacidade de adaptar materiais átomo por átomo pode ser aplicada a muitas aplicações tecnológicas futuras na ciência da informação quântica, e mais amplamente em microeletrônica e catálise, e para obter uma compreensão mais profunda dos processos de síntese de materiais. Este trabalho pode facilitar a fabricação em escala atômica, que é notoriamente desafiadora.

“Simplesmente pelo fato de que agora podemos começar a colocar átomos onde queremos, podemos pensar em criar conjuntos de átomos que são precisamente posicionados próximos o suficiente para que possam se entrelaçar e, portanto, compartilhar suas propriedades quânticas, o que é essencial para tornar os dispositivos quânticos mais poderosos do que os convencionais”, disse Dyck.

Esses dispositivos podem incluir computadores quânticos — uma proposta de próxima geração de computadores que pode superar em muito os supercomputadores mais rápidos da atualidade; sensores quânticos; e dispositivos de comunicação quântica que exigem uma fonte de um único fóton para criar um sistema de comunicação quântica seguro.

“Não estamos apenas movendo átomos por aí”, disse Jesse. “Mostramos que podemos adicionar uma variedade de átomos a um material que não estavam lá antes e colocá-los onde queremos. Atualmente, não há tecnologia que permita que você coloque elementos diferentes exatamente onde você quer colocá-los e tenha a ligação e estrutura corretas. Com essa tecnologia, poderíamos construir estruturas do átomo para cima, projetadas para suas propriedades eletrônicas, ópticas, químicas ou estruturais.”

Os cientistas, que fazem parte do CNMS, um centro de pesquisa em nanociência e instalação de usuário do DOE Office of Science, detalharam sua pesquisa e sua visão em uma série de quatro artigos em periódicos científicos ao longo de um ano, começando com a prova de princípio de que o sintescópio poderia ser realizado. Eles solicitaram uma patente para a tecnologia.

“Com esses artigos, estamos redirecionando a aparência da fabricação em escala atômica usando feixes de elétrons”, disse Dyck. “Juntos, esses manuscritos descrevem o que acreditamos que será a direção que a tecnologia de fabricação atômica tomará no futuro próximo e a mudança na conceituação necessária para avançar o campo.”

Ao usar um feixe de elétrons, ou e-beam, para remover e depositar os átomos, os cientistas do ORNL puderam realizar um procedimento de escrita direta no nível atômico.

“O processo é notavelmente intuitivo”, disse Andrew Lupini, do ORNL, líder do grupo STEM e membro da equipe de pesquisa. “STEMs funcionam transmitindo um feixe de e- de alta energia através de um material. O feixe de e- é focado em um ponto menor do que a distância entre átomos e varre o material para criar uma imagem com resolução atômica. No entanto, STEMs são notórios por danificar os próprios materiais que estão gerando imagens.”

Os cientistas perceberam que poderiam explorar esse “bug” destrutivo e, em vez disso, usá-lo como uma característica construtiva e criar buracos de propósito. Então, eles podem colocar qualquer átomo que quiserem naquele buraco, exatamente onde fizeram o defeito. Ao danificar o material propositalmente, eles criam um novo material com propriedades diferentes e úteis.

“Estamos explorando métodos para criar esses defeitos sob demanda para que possamos colocá-los onde quisermos”, disse Jesse. “Como os STEMs têm capacidades de imagem em escala atômica, e trabalhamos com materiais muito finos que têm apenas alguns átomos de espessura, podemos ver cada átomo. Então, estamos manipulando a matéria na escala atômica em tempo real. Esse é o objetivo, e estamos realmente alcançando-o.”

Para demonstrar o método, os pesquisadores moveram um feixe de elétrons para frente e para trás sobre uma rede de grafeno, criando buracos minúsculos. Eles inseriram átomos de estanho nesses buracos e alcançaram um processo de escrita direta, átomo por átomo, contínuo, preenchendo assim os mesmos lugares exatos onde o átomo de carbono estava com átomos de estanho.

“Acreditamos que os processos de síntese em escala atômica podem se tornar uma questão de rotina usando estratégias relativamente simples. Quando acoplado ao controle de feixe automatizado e à análise e descoberta orientadas por IA, o conceito de sintescópio oferece uma janela para os processos de síntese atômica e uma abordagem única para a fabricação em escala atômica”, disse Jesse.