Niewidzialne wzorce w atomowym świecie
Krótkodystansowy porządek atomowy (SRO) to zjawisko, które przypomina lokalne układy sąsiedzkie w pozornie przypadkowej miejskiej zabudowie. Choć całe miasto może wydawać się chaotyczne, poszczególne kwartały zachowują własną, uporządkowaną logikę. Podobnie jest z atomami: tworzą one lokalne konfiguracje, które bezpośrednio oddziałują na pasmo wzbronione półprzewodników, czyli właściwość decydującą o ich zdolności do przewodzenia prądu.
To pierwszy raz, kiedy indywidualna struktura tych domen SRO została pokazana eksperymentalnie – wyjaśnia Andrew Minor z Lawrence Berkeley National Laboratory
Czytaj też: Naukowcy z Cornell dokonali niemożliwego. Drukowane nadprzewodniki biją rekordy
Dopiero teraz stało się jasne, dlaczego niektóre materiały półprzewodnikowe zachowywały się inaczej, niż przewidywały teoretyczne modele. Okazuje się, iż to właśnie te lokalne układy atomów miały decydujący wpływ na ich właściwości elektryczne. Tradycyjne metody badawcze były jak próba odczytania zatartego manuskryptu gołym okiem. Sygnały pochodzące od struktur SRO ginęły wśród innych zakłóceń, co uniemożliwiało ich wyodrębnienie.
Sygnały z SRO mogą być łatwo przesłonięte przez defekty lub inherentny ruch atomów w temperaturze pokojowej, a do tej pory nie było jasnego sposobu na ich rozdzielenie – dodaje Tianshu Li z George Washington University
Przełom nastąpił dzięki połączenia mikroskopii 4D-STEM z algorytmami uczenia maszynowego. Sieć neuronowa, wstępnie wytrenowana do rozpoznawania wzorców, przeanalizowała ogromne zbiory danych i zidentyfikowała sześć powtarzających się motywów atomowych, które wcześniej pozostawały niewidoczne dla ludzkiego oka.
Co to oznacza dla przyszłości technologii?
Możliwość precyzyjnego kontrolowania atomowych struktur otwiera drogę do projektowania materiałów niemal od podstaw. Zamiast polegać na gotowych półprzewodnikach o przypadkowych właściwościach, inżynierowie mogliby tworzyć struktury dokładnie odpowiadające konkretnym potrzebom. Potencjalne zastosowania obejmują komputery kwantowe wymagające materiałów o ściśle określonych właściwościach, urządzenia neuromorficzne naśladujące działanie ludzkiego mózgu, czy czujniki optyczne o niespotykanej dotąd czułości.
Czytaj też: Czas na budynki z kartonu. Nowy materiał osiąga niesamowite liczby
Otwieramy drzwi do nowej ery technologii informacyjnej w skali atomowej, odblokowując deterministyczne umieszczanie motywów SRO w celu dostosowania struktur pasmowych – zauważa Lilian Vogl, główna autorka badania
Wyniki eksperymentów zostały zaprezentowane w czasopiśmie Science, nawet jeśli minie jeszcze sporo czasu, zanim ludzkość przejdzie do masowej produkcji układów elektronicznych opartych na tym odkryciu. Największym wyzwaniem będzie opracowanie technologii umożliwiających precyzyjne manipulowanie atomowymi strukturami na skalę przemysłową. Na razie mówimy o badaniach podstawowych, które dopiero wskazują nowy kierunek rozwoju. Mimo to nie sposób nie docenić znaczenia opisywanego przełomu. Po latach zgadywania i teoretyzowania naukowcy wreszcie otrzymali narzędzia, które pozwalają im zajrzeć w najgłębsze tajemnice materii. A to zawsze był pierwszy krok do prawdziwych innowacji.