一种推动单个原子在原子般薄的材料中转换位置的新技术可能会让科学家更接近实现理论物理学家理查德·费曼的设想，即从原子开始制造微型机器。

开发利用原子量子特性的材料的一项重大进展，推动了建立原子级精密电子和传感器的方法的需求。美国能源部橡树岭国家实验室的一个显微镜团队已经证明，一个原子一个原子地制造纳米级器件需要精细和精确。

他们在实验室的纳米材料科学中心使用扫描透射电子显微镜( STEM )将硅原子引入单层原子厚的石墨烯中。随着电子束扫描整个材料，它的能量稍微破坏了石墨烯的分子结构，并为附近的硅原子与碳原子交换位置创造了空间。

ORNL的Ondrej Dyck说:“我们观察到在单个原子和化学键水平上引发的电子束辅助化学反应，每一步都被显微镜捕捉到了，这是很罕见的。”他是《Small》杂志上发表的一项研究的合著者，该杂志详细介绍了茎的演示。

利用这个过程，科学家们进一步能够将两个、三个和四个硅原子聚集在一起，形成簇，并使它们在石墨烯层内旋转。石墨烯是一个二维或二维碳原子层，显示出前所未有的强度和高导电性。dyck说，他选择石墨烯做这项工作，因为“它对60千伏的电子束很耐用”。

他补充道:“我们可以长时间观察石墨烯，而不会伤害样品，相比之下，其他二维材料，如过渡金属二硫醇单层，它们在电子束下更容易分解。”

STEM是近年来出现的一种可行的工具，用于操纵材料中的原子，同时保持样品的稳定性。

dyck和ORNL的同事谢尔盖·加里宁、阿尔比娜·鲍里塞维奇和斯蒂芬·杰西是为数不多的几个学习使用STEM控制二维材料中单个原子运动的科学家。他们的工作支持由ORNL领导的创造原子锻造的倡议，该倡议鼓励显微镜界重新想象STEM作为一种从头开始制造材料的方法。

近年来，纳米科学和纳米技术领域经历了爆炸性增长。费曼在1959年著名演讲中首次提出了原子操纵的原始理论，随后，费曼提出了一个原子一个原子地制造微型机器的想法，这一想法的早期步骤之一是由IBM研究员唐纳德·艾格尔的工作播种的。他用扫描隧道显微镜展示了原子的操控。

“几十年来，Eigler的方法是唯一一种逐个操纵原子的技术。现在，我们已经展示了第二种在茎中使用电子束的方法，”ORNL材料功能成像研究所所长Kalinin说。大约四年前，他和杰西开始用电子束进行研究。

成功地移动茎中的原子可能是一次一个原子制造量子器件的关键步骤。科学家们接下来将尝试在石墨烯结构中引入磷等其他原子。
“磷有潜力，因为与碳相比，它含有一个额外的电子，”Dyck说。“这将是构建量子比特的理想选择，量子比特是基于量子的设备的基础。"

他们的目标是最终在STEM中构建一个设备原型。

dyck警告说，虽然用掺磷石墨烯构建量子比特已经在望，但这种材料在室温下——在茎干或低温环境之外——的行为仍不得而知。
“我们发现将掺硅石墨烯暴露于外界确实会影响结构，”他说。

他们将继续尝试在非实验室环境中保持材料稳定的方法，这对干细胞构建的原子精确结构的未来成功至关重要。

杰西说:“通过在原子尺度上控制物质，我们将把量子物理的力量和神秘带给现实世界的设备。”