詳細の悪魔。 このフレーズは、最新技術の新しい建物レンガを検索するプロセスを非常に簡潔かつ正確に説明できます。 結局のところ、すべての破壊力を持つ核兵器でさえ、原子レベルで発生するプロセスに基づいて作成されました。 今日、私たちは原子にも影響を与える研究に精通しますが、原子を破壊のために使用するためではなく、創造のために使用します。 つまり、電子の制御とその挙動についてです。これは、量子コンピューティング技術と人工ニューラルネットワークの開発に役立ちます。 科学者は、いわば、ひもにつないで電子を与え、与えられた経路に沿ってそれを歩く方法をどうやって管理したのか、私たちは彼らの報告から学びます。 行こう
研究の基礎
過去数年にわたって、電子、それらの特性、振る舞い、および状態の操作の分野で、複数の研究が行われてきました。 多くの科学者はこの方向を非常に有望であると考えていますが、他の科学者は将来の技術にとってそれを根本的に重要と呼びます。 この場合、論理的な問題が発生します-この研究は前任者とどのように異なりますか？ 研究者はかなり明確な答えを与えています-バイアス電圧。 これまでの研究は彼に正確に依存しており、電子の制御、より正確には電荷の遷移過程を実現していました。 したがって、わずかなトンネル電流が達成され、個々の電子を輸送することで電荷操作が実行されました。
今日の研究の場合、手順は変更されました。 科学者は、単一電子イベントに基づいて原子ナノ構造内の電荷を制御することができましたが、バイアス電圧を印加する必要はありませんでした。
シリコン不飽和結合の例
研究の材料基盤は、水素不動態化Si（100）-2x1表面上のシリコン不飽和結合（以下NS）です。 科学者は、シリコンの使用には特定の利点があることに注意しています。 主なものは、不飽和結合を基板から電子的に分離することです。これにより、主構造と基板の間に絶縁体の薄い層を使用せずに電荷を局在化させることができます。 絶縁層の使用は、以前にしばしば適用されてきました。 ここで、現在の研究とその先行研究との間に別の違いが見つかりました。 しかし、NS間の正確な間隔は、結晶格子のために得られました。
前に述べたように、他の研究者はバイアス電圧を使用し、さらにはNSを充電してバイアスを充電しました。 すぐに、アプローチはより機械的になります。 それは、原子の平衡位置を直接操作するプローブの使用で構成され、この原子が負電荷のキャリアになることを可能にします。 したがって、バイアス電圧がないことと、プローブと原子間の短距離相互作用により、個々の電子の制御が可能になります。
実験
4.5 Kの温度および超高真空（<1 x 10 -10 torr）で動作するOmicron LT原子間力/トンネル顕微鏡を、この研究の主要ツールとして使用しました。
Omicron LT顕微鏡
顕微鏡の針は、化学的にエッチングされた多結晶タングステンワイヤで作られ、集束イオンビームで研がれ、qPlusセンサーに取り付けられました。
QPlusセンサー回路
針の共振周波数は28 kHz、品質係数は12〜14の範囲で、振幅は50ピコメートルでした。 トンネル電流を供給するために、センサー上の追加の電極も使用されました。 さらに、イオン顕微鏡での窒素エッチングにより針を鋭くしました。
研究自体の間、針はサンプルの表面に接触していたため、シリコン原子が針の先端に残っていました。
作業サンプル自体は、高ドープ（1.5×1019 atoms / cm3）（100）Si結晶でできていました。 次に、脱気プロセスを600°Cの温度で12時間実行し、最大温度1250°Cでアニーリングしてから、330°Cの温度で水素で不動態化しました。
針が水素の真上にある場合、短電圧パルス（+2.1 V、10 ms）を使用して不飽和結合が形成されました。
イメージNo. 1
画像1aでは 、プローブの電圧パルスを使用して2つの中間水素原子によって構成された2つのNSが見られます。 NSのこのペアには、1つの負電荷が含まれています。
一定の周波数シフト（∆f）の画像は、わずかに影が付いているように見えます（ 1b ）。 これは、この画像を取得する過程で負の電荷が数回位置を変えたためです。 正確には、NSから別のNSにジャンプするように表示され、サンプルの構造をスキャンすると100が表示されます（ 1c ）。
さらに、研究者は、Δf画像のコントラストの変化が充電状態に直接依存することを判断する必要がありました。 これを行うには、バイアスに依存するΔf分光法を実行して、ペアの外側の孤立したNSを分析する必要がありました。 分光法の過程におけるNSは、nドーパント（ 1d ）を含むサンプルで0 Vに負に帯電しました。 ここでは、2つの放物線の間の非常に鋭い遷移が見られます。これは、個々のNSのニュートラルから特有の電荷状態への遷移に対応します。
画像1fでは 、電荷が4.8分以内にどのように位置を変えたかがわかります。 重要な観察結果は、システム内に負の電荷が数秒間持続する可能性があることです。
研究者たちは奇妙な特徴に気付いた-負に帯電したシリコンNSは200 meV（ミリ電子ボルト）で安定する。 これは、原子核の位置が中性状態より30 pm上に上昇したときの格子緩和の結果です。 これは、NS間のトンネリングを防ぐのに役立ちます。
イメージNo. 2
また、0 VでのNSの状態は∆zに強く依存することがわかりました。 この声明の確認は、6つのNSの構造の一定の高さの方法による一連のスキャンによって得られました。
一定の高さの方法（a）と一定のトンネル電流（b）の比較。
上の画像2bでは 、サンプルに対する針の最大近似（-320 pm）で、6つのNSすべてが負の電荷を持っていることがわかります。 針が50 pmだけ-270 pmのレベルまで上げられると、すでに3 NSが負に帯電します（下の写真2b ）。 しかし、グラフ2cは、この変化がスムーズかつ直線的に発生するのではなく、逆に-300から-290 pmの間に大きなギャップがあることを示しています。
イメージNo. 3
針の高さに応じて、1つの急激な移行を観察するだけでは、完全な結論を出すには不十分です。 したがって、ペアの個々のNS（ 3aの青い線）および表面空孔の上（ 3aのオレンジ色の線）で、0 Vでパワー分光法を実行しました。 最初は、サンプルと針の間の距離は基準高さより700 pm長くなりました。 したがって、針とサンプル表面の間のすべての力が平準化されました。 Δz= -100 pmになるまで、3つのNSはすべてほぼ同一であり、これは長距離の力の優位性を裏付けています。 | ∆f |の急激な増加 ∆zが約-302 pmに達すると発生します。
これにより、近似曲線と収縮曲線の間にヒステリシスが生じます。 Δzが-100 pmに達するまで、十分に高いままです。 科学者は、この現象を、針の真下のNSのペア電荷の局在化に起因すると考えています。
読み取りおよび書き込みモードのより詳細な研究のために、対称および非対称構造（5 NSのうち）でいくつかの実験が行われました。
イメージNo.4
画像4a-cは、対称（ 4d ）および非対称（ 4h ）構造の実験計画を示しています。
記録モード中、針は画像上を短い距離を通過し、読み取りモードでは、針は午後50時まで戻り、反対方向に動き続けます。 4f / 4gと4j / 4kの画像のペアは、構造内の電荷を両方の構造で完全に操作できることを明確に示しています。
対称構造の場合、電荷を内側のペアのNSの1つ（右（画像4f ）および左（ 4g ））にシフトすることができました。 これに縮退プロセスが続き、その結果が画像4eに示されています。
非対称構造の場合、NSがわずか5のとき、そのうち3つが負電荷を帯びていました。 ここで、NSの内側のペアの電荷で操作を実現することもできました。 しかし、構造の非対称性を考慮すると、両方の電荷状態は縮退しませんでした。
研究とそれに関連する追加資料の両方について詳しく知りたい場合は、研究者のレポートを読むことをお勧めします。
エピローグ
科学者は、上記の実験結果は、不飽和結合に基づいて構造内の電子を操作する実際の能力を確認すると述べています。 結果として生じる電荷状態は数秒間安定したままであり、これは負に帯電した不飽和結合を安定化させるシリコン格子の緩和により達成されます。 この実験の主なツールはプローブであり、プロセス自体はバイアス電圧から完全に独立しています。
この研究は、科学者にとって不可能なものは何もないことを再度確認します。 最小のオブジェクトであっても、研究のためにアクセスできなくなり、操作のためになりました。 この研究が続けば、量子コンピューティングと人工ニューラルネットワークは、開発のさらなる推進力となります。 その可能性が、著者が望んでいるのと同じくらい大きいことを期待しましょう。
そして少しユーモラスなオフトピック:) 
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