US-Team programmiert Materialien dreidimensional mit Elektronenstrahl

Anschließend wurden weitere Fortschritte, etwa der Einsatz optischer Pinzetten und oszillierender elektrischer Felder, genutzt, um neutrale Atome oder Ionen einzufangen. Bislang beschränken sich diese Fortschritte jedoch entweder auf extrem kalte Laborumgebungen oder auf die Bewegung.

Die könnte die Quantenforschung und -anwendungen revolutionieren, da Atome nun nicht nur in drei Dimensionen, sondern auch bei Raumtemperatur bewegt werden können. Wie haben sie das erreicht? Mit Hochleistungs-Mikroskopen am ORNL nutzten die Forscher ein hochkomplexes Satz, um einen Elektronenstrahl mit einer Präzision Zielatom auszurichten.

Nach dem engen Schleifenprozess, um das Ziel zu treffen, leitet der Strahl anschließend Elektronen durch das Material auf einem definierten oszillierenden Pfad. Die Bewegung des Strahls schiebt ganze Atomspalten an neue Positionen, ähnlich wie wir auf unseren Smartphones wischen.

Die Elektronen helfen dabei, die Position

Die Elektronen helfen dabei, die Position des Strahls im Material zu bestimmen. „Der Trick besteht darin, sehr wenige Elektronen für die Gewinnung dieser Information einzusetzen, sodass der gesamte Prozess schnell abläuft und das Kristallgitter unbeabsichtigt nicht beschädigt wird", erklärte Julian Klein, MIT-Forscher, der das Projekt konzipiert und geleitet hat.

In ihren Experimenten gelang es den Forschenden, die Bewegung äulen in einem nur 13 Nanometer dünnen Halbleitermaterial präzise zu steuern. Die atomaren Leerstellen, die im Material durch die Verschiebung der Atome entstehen, verleiht dem Material exotische Quanteneigenschaften. Skalierbar und zukunftsweisend: Das Forschungsteam erzeugte in nur bis zu 40.000 Quantenfehler im Kristall.

Im Vergleich dazu benötigten Forschende, um lediglich 35 Atome zu verschieben. Dies demonstriert die Skalierbarkeit des Ansatzes. „Es ist wie ein Fotokopierer, der Säulen identischer atomarer Defekte erzeugen kann", so Frances Ross, Professorin für Materialwissenschaft und Ingenieurwesen am MIT, in einer Pressemitteilung.

Besonders nützlich ist dies, da man

Besonders nützlich ist dies, da man einzelne Atome verschieben kann, um Defekte zu erzeugen, und diesen Vorgang wiederholt, um dreidimensionale atomare Anordnungen mit einstellbaren Funktionen zu schaffen, die in einem System robuster sind, weil die Defekte unter der Oberfläche liegen.

Die Forscher sind sich jedoch auch der Rolle des Halbleitermaterials, mit dem sie gearbeitet haben, bewusst, da Chrom eine einzigartige elektronische Struktur aufweist. Daher arbeiten sie auch daran, zu ermitteln, in welchen weiteren Materialien dieser Ansatz funktioniert. „Das Verschieben örpern ermöglicht die Erzeugung, die unter Luftbedingungen außerhalb des Vakuums stabil sind", erklärte Klein.

Dieser Ansatz ist zudem skalierbar für zahlreiche atomare Manipulationen; das Verschieben Atomen zur Erzeugung künstlicher Strukturen würde völlig neue Physik bedeuten. Die Technik legt den Grundstein für programmierbare Materie, was in Zukunft zur Entwicklung stabiler Quantengeräte führen könnte. Die Forschungsergebnisse wurden in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.