Vědci IBM jsou schopni ovládat elektrický náboj jednotlivých atomů

Je libo kation či anion? Řízené přidání a odstranění elektronu představuje milník ve vývoji budoucích zařízení s atomovými rozměry
Vědci IBM jsou schopni ovládat elektrický náboj jednotlivých atomů

Vědcům Výzkumné laboratoře IBM v Curychu a Technologické univerzity Chalmers v Göteborgu se podařilo úspěšně pozměnit a řídit elektrický náboj jednotlivých atomů. Tímto experimentem dosáhli nového rozměru manipulace. Schopnost přidávat nebo odebírat elektronový náboj z jednotlivých atomů je rozhodujícím krokem ve vývoji budoucích zařízení s atomovými rozměry. Přepínání různých nábojových stavů jednotlivých atomů umožňuje například řídit chemickou reaktivnost, optické vlastnosti nebo magnetický moment.

 

Jak bylo publikováno v čísle časopisu Science z 23. července, vědci IBM Jascha Repp a Gerhard Meyer umístili a následně zase odstranili jediný elektron z atomu zlata (Au). Dosáhli toho tak, že umístili špičku nízkoteplotního skenovacího tunelového mikroskopu (STM) nad atom a použili napěťový pulz. Touto manipulací nedošlo ke změně laterální pozice atomu zlata v ultratenkém (o tloušťce pouhé dvě atomové vrstvy) filmu izolačního chloridu sodného (NaCl) na železném podkladu.

 

Nejdůležitější je to, že oba nábojové stavy atomu jsou stabilní, tedy přidaný elektron zůstává v atomu, dokud není odstraněn napěťovým pulzem nebo atomem s opačným nábojem. Stabilizace různých elektrických nábojů je dosaženo drobnými změnami pozic atomů v iontovém filmu. Díky velké iontové polarizaci filmu se ion Cl- pod zlatem pohybuje směrem dolů, zatímco okolní ionty Na+ se pohybují směrem nahoru. Tento vzorec vytváří atraktivní potenciál pro přidání náboje do adsorbovaného atomu Au. V obrazu mikroskopu STM vypadá nový nábojový stav atomu zlata jako kruhová brázda okolo atomu.

 

„Náš objev je důležitým krokem směrem k používání jednotlivých atomů nebo molekul jako základních stavebních bloků pro možné budoucí technologie v atomovém měřítku,“ říká Gerhard Meyer, který ve výzkumné laboratoři IBM v Curychu vede vědecké práce související s mikroskopy STM. „Ve světě nanotechnologií bude pro vytváření složitých funkčních struktur potřeba schopnost kontrolovat nejen pozici, geometrické a mechanické vlastnosti atomů, ale také elektronické a chemické parametry na atomové úrovni.“  V roce 1990 Don Eigler z výzkumného centra IBM Almaden v kalifornském San Jose dokázal, že pomocí STM lze s atomovou přesností umisťovat atomy na povrch. Manipulací s prvky, které tvoří atom, bylo dosaženo dalšího kroku. Jascha Repp poznamenává: „Chemické a fyzikální vlastnosti iontů obecně bývají kvalitativně odlišné od vlastností příslušných neutrálních atomů. Proto naše zjištění budou mít dopad nejen na fyziku, ale i na chemii. Možné aplikace tohoto fenoménu zahrnují katalýzu, trvalé paměti i kvantové informační technologie.“

 

Řízené uložení a odstranění elektronového náboje z jednotlivých atomů je rozhodujícím krokem ve vývoji budoucích zařízení s atomovými rozměry. Mohlo by například umožnit vytvoření trvalé paměťové buňky, jejíž rozměry by dosáhly naprosté prostorové hranice. Jak říká Rolf Allenspach, ředitel výzkumných prací souvisejících s fyzikou nanometrických systémů, „praktické paměti atomových rozměrů by alespoň desetitisíckrát zvýšily množství dat, které lze uložit na určitou plochu.“ Další možností je přizpůsobení vlastností materiálu na atomové úrovni.

 

Spolupráce IBM a Univerzity Chalmers probíhala v rámci sítě Evropské unie (EU) pro „atomovou a molekulární manipulaci jako nový nástroj vědy a technologie.“

 

 

 

IBM scientists control the charge state of an individual atom

 

The controlled addition and removal of an electron represents a milestone in the development of future atomic-scale devices

 

 

Scientists of the IBM Zurich Research Laboratory and of Chalmers University of Technology, Gothenburg, have succeeded in manipulating and controlling the charge state of individual atoms. With this experiment, a new dimension of manipulation has been achieved. The ability to add or remove an electron charge to or from an individual atom is a decisive step in the development of future atomically small devices. This switching between different charge states of an individual atom enables, for example, the control of chemical reactivity, optical properties, or magnetic moment.

 

As reported in the July 23 issue of Science magazine, IBM scientists Jascha Repp and Gerhard Meyer placed and removed a single electron on an individual gold (Au) atom by positioning the tip of a low-temperature scanning tunneling microscope (STM) above the atom and applying a voltage pulse. This manipulation does not affect the lateral position of the gold atom adsorbed on an ultrathin (only two atomic layers thick) insulating sodium chloride (NaCl) film on a metal substrate.

 

Most importantly, both charge states of the atom are stable, that is, an additional electron remains on it until it is removed by a voltage pulse of reversed sign. The stabilization of the different charge states is achieved by tiny changes in the positions of the atoms in the ionic film. Owing to the film’s large ionic polarization, the Cl- ion underneath the gold moves downward, while the surrounding Na+ ions move upward. This relaxation pattern creates an attractive potential for the additional charge on the Au adatom. In the STM image, the new charge state of the gold atom appears as a circular trough around the atom.

 

Jascha Repp, who designed and carried out the experiment, explains: “A simple electron transfer with no lasting changes of ion-core positions would not be stable because the electron residing in an excited state on the manipulated Au atom would rapidly tunnel into the metal of the substrate.”

 

“Our discovery is an important step towards using a single atom or molecule as a basic building block for possible future atomic-scale technology,” says Gerhard Meyer, who leads the STM-related research efforts at IBM’s Zurich Research Laboratory. “In the nanoworld, the creation of complex functionalized structures will require the ability to control not only the position and geometrical and mechanical properties of atoms, but also the electronic and chemical parameters at the atomic level.”  In 1990, Don Eigler of IBM’s Almaden Research Center in San Jose, California, showed that, using an STM, atoms can be placed on top of a surface with atomic precision. Now, the next step has been achieved by manipulating the elements that make up an atom. Jascha Repp points out: “The chemical and physical properties of ions in general are qualitatively different from those of the corresponding neutral atoms. Therefore our findings will have an impact not only on physics but also on chemistry. Possible applications of this phenomenon range from catalysis to nonvolatile memory devices to quantum information technology.“

 

To interpret the experimental findings, Fredrik Olsson and Mats Persson from Chalmers University used first-principles density functional theory calculations. In agreement with the experiments, the theoretical investigation also finds two different stable states for Au atoms: One is nearly neutral, the other is negatively charged by one electron.

 

The simple physical mechanism responsible for the existence of different charge states suggests that this finding is a common phenomenon for adsorbates on polar insulating films supported by a metal substrate. “Given the extremely high quantum yield of order unity, the switching of the charge state can probably also be operated by means of other techniques. In other words, the control of the charge state is not limited to the tunneling junction geometry,” comments Gerhard Meyer.

 

The controlled deposition and removal of an electron charge onto and from an individual atom is a decisive step in the development of future atomically small devices. For instance, it could lead to a nonvolatile memory cell at the ultimate spatial limit. As Rolf Allenspach, manager of Zurich’s research efforts related to the physics of nanoscale systems, puts it, “Practical atomic-scale memories would increase the amount of data that can be stored on a given area by at least ten thousand times”. Another prospect is that material properties could be tailored at the atomic level.

 

The collaboration between IBM and Chalmers University was conducted within the framework of the European Union (EU) network on “Atomic and Molecular Manipulation as a new Tool for Science and Technology”.

 

 

Figure captions

 

(Repp_3D_image.jpg):  Scanning tunneling microscope (STM) false-color three-dimensional image of two gold atoms on an insulating NaCl film surface. The atom on the left-hand side has been intentionally transferred from its neutral state into a negatively charged ion by means of STM manipulation.

 

(Repp_STM_data.jpg):  Scanning tunneling microscope (STM) image of two gold atoms on an insulating NaCl film surface. The atom on the left-hand side has been intentionally transferred from its neutral state into a negatively charged ion by means of STM manipulation. The change in charge state is revealed by the dark trough around the gold atom.

 

(Repp_sphere_model.jpg):  Sphere model depicting the geometry after the manipulation within the scanning tunneling microscope (STM) junction. Spheres representing Au, Cl-, Na+, and copper (Cu) are colored gold, green, blue, and red, respectively.

 

###

 

 

O společnosti IBM

Společnost IBM je největším výrobcem produktů a poskytovatelem služeb informačních technologií na světě, s více než osmdesátiletou tradicí v inovacích, které mění náš svět. Převažující činností IBM ČR je prodej širokého spektra IT technologií, tedy všech typů počítačů, zálohovacích a komunikačních systémů, a to včetně programového vybavení a služeb.

K hlavním cílům IBM patří poskytování komplexních služeb systémového integrátora a prosazování výhod elektronického obchodování do každodenního života.

 

 

Váš názor Další článek: Po roce: Celeron D zrychluje na 2,93 GHz

Témata článku: IBM, Intro, Atom, Step, Atomic, NaCl, Nota, Zurich, From, Pulse, Gold, Text, Puls, Different, Inter


Určitě si přečtěte

Chrome se naučí dokonale odkazovat. Jeho odpůrci bijí na poplach, prý je to bezpečnostní katastrofa

Chrome se naučí dokonale odkazovat. Jeho odpůrci bijí na poplach, prý je to bezpečnostní katastrofa

** Google zavádí techniku ScrollToTextFragment ** Umí vytvořit odkaz na konkrétní slovo na stránce ** Podle kritiků by to mohl být bezpečnostní problém

Jakub Čížek | 40

Vyzkoušeli jsme TP-Link Deco P9: zajistí doma Wi-Fi díky drátům ve zdi

Vyzkoušeli jsme TP-Link Deco P9: zajistí doma Wi-Fi díky drátům ve zdi

** Nová generace Mesh Wi-Fi s propojením přes elektrické rozvody ** Lepší parametry a nižší cena než u předchůdce ** Aplikace zatím podporuje jen základní nastavení bez rozšířených funkcí

Tomáš Holčík | 25

12 nejšílenějších programovacích jazyků, ze kterých vám praskne hlava

12 nejšílenějších programovacích jazyků, ze kterých vám praskne hlava

** Myslíte si, že umíte programovat? ** Ale prosím vás, zkuste jazyk Wenyan nebo Malbolge ** Z ezoterických jazyků zešílíte, nebo vás zaměstnají v Googlu

Jakub Čížek | 26

10 skrytých nastavení prohlížeče Google Chrome, která se můžou hodit

10 skrytých nastavení prohlížeče Google Chrome, která se můžou hodit

** Prohlížeč Google Chrome ukrývá mnoho zajímavých možností ** Našli jsme deset nejzajímavějších skrytých nastavení ** Můžete si například výrazně vylepšit práci s kartami

Karel Kilián | 18



Aktuální číslo časopisu Computer

Velký test autokamer

Test ATX skříní

Jak surfovat pohodlně

Sportovní aplikace

Jak funguje procesor