Je libo kation či anion? Řízené přidání a odstranění elektronu představuje milník ve vývoji budoucích zařízení s atomovými rozměry
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.“
Model koule, který znázorňuje geometrii po manipulaci kontaktem s mikroskopem STM. Oběhové trasy prvků Au, Cl-, Na+ a mědi (Cu) jsou znázorněny zlatě, zeleně, modře a červeně.
Trojrozměrný, dodatečně vybarvený snímek z mikroskopu STM, který zobrazuje dva atomy zlata na povrchu izolačního filmu NaCl. Atom vlevo byl záměrně převeden z neutrálniho stavu na negativně nabitý ion metodou manipulace STM.
Snímek z mikroskopu STM, který zobrazuje dva atomy zlata na povrchu izolačního filmu NaCl. Atom vlevo byl záměrně převeden z neutralního stavu na negativně nabitý ion metodou manipulace STM. Změnu nábojoveho stavu naznačuje brázda okolo atomu zlata.
