Przez dziesięciolecia najlepsze mikroskopy nie były w stanie dostrzec tego, co teraz udało się zaobserwować międzynarodowemu zespołowi badawczemu. Odkrycie szczegółowo opisano w periodyku Science, gdzie po raz pierwszy udokumentowano istnienie krótkodystansowego porządku atomowego w półprzewodnikach. To właśnie te ukryte wzory mogą stanowić klucz do rozwoju zupełnie nowej generacji urządzeń kwantowych i neuromorficznych.
Ukryty porządek atomowy
Badacze z Lawrence Berkeley National Laboratory i George Washington University wykazali, że atomy w półprzewodnikach tworzą charakterystyczne, zlokalizowane wzory określane jako krótkodystansowy porządek atomowy. Dotychczas te subtelne układy pozostawały niewidoczne dla konwencjonalnych metod badawczych, ponieważ niewielkie ilości atomów domieszek nie tworzyły dużych, powtarzalnych struktur.
Czytaj także: Spektakularne osiągnięcie. Najmniejszy półprzewodnik na świecie, który wytworzył wodór
Eksperymenty przeprowadzono na próbkach germanu z minimalnymi dodatkami cyny i krzemu. To właśnie te śladowe domieszki, dodawane w mikroskopijnych ilościach, generują ukryte struktury znacząco wpływające na właściwości elektroniczne całego materiału.
Sześć powtarzających się motywów
Główna autorka badania Lilian Vogl zidentyfikowała sześć różnych motywów reprezentujących konkretne układy atomowe. Każdy z tych wzorców wywiera unikalny wpływ na przerwę energetyczną — fundamentalną właściwość półprzewodników decydującą o ich zachowaniu elektronicznym. Struktury te potwierdzono dzięki modelowi uczenia maszynowego symulującemu miliony atomów, co umożliwiło precyzyjne dopasowanie symulowanych obrazów do obserwowanych w rzeczywistości wzorców.
Zaawansowana mikroskopia spotyka sztuczną inteligencję
Przełom stał się możliwy dzięki połączeniu dwóch zaawansowanych technologii. Zespół wykorzystał mikroskopię elektronową typu 4D-STEM z dodatkowym urządzeniem do filtrowania energii, co znacząco poprawiło kontrast obrazowania. Jednak sama mikroskopia nie wystarczyłaby do interpretacji tak subtelnych wzorców.
Kluczową rolę odegrało uczenie maszynowe. Algorytmy sztucznej inteligencji zastosowane przez zespół Tianshu Li z George Washington University pozwoliły na modelowanie milionów atomów i dopasowywanie wyników symulacji do danych eksperymentalnych. Tylko takie połączenie technik umożliwiło rozpoznanie tych delikatnych wzorów w strukturze krystalicznej.
Wyzwania detekcji
Wykrycie krótkodystansowego porządku zawsze stanowiło niezwykle trudne zadanie ze względu na możliwość maskowania sygnałów przez defekty krystaliczne czy naturalny ruch atomów w temperaturze pokojowej. Dotychczas żadna technika mikroskopii nie oferowała wystarczającej precyzji do bezpośredniej interpretacji tych ukrytych struktur.
Obecnie, dzięki synergii eksperymentu z modelowaniem komputerowym, naukowcy mogą z dużą wiernością replikować procedury badawcze i precyzyjnie identyfikować motywy strukturalne, które wcześniej pozostawały niewidoczne.
Od kwantów po neuromorfikę
Powyższe odkrycie otwiera drogę do fundamentalnych zmian w projektowaniu elektroniki. Możliwość kontroli krótkodystansowego porządku atomowego oznacza potencjał precyzyjnego dostosowywania właściwości elektronicznych materiałów, czyli coś, co dotychczas uważano za niemożliwe do osiągnięcia.
Praktyczne zastosowania obejmują między innymi obliczenia kwantowe, gdzie kontrola nad właściwościami kwantowymi materiałów jest kluczowa. Urządzenia neuromorficzne naśladujące działanie ludzkiego mózgu również mogą skorzystać z tej technologii, podobnie jak zaawansowane detektory optyczne stosowane w telekomunikacji i medycynie.
Projektowanie na skali atomowej. Perspektywy i wyzwania
Najbardziej intrygującą perspektywą jest możliwość deterministycznego umieszczania motywów SRO w materiałach. Oznaczałoby to, że inżynierowie zyskaliby zdolność projektowania półprzewodników atom po atomie, dostosowując ich właściwości do konkretnych zastosowań.
Taka precyzja mogłaby wpłynąć na szeroki zakres technologii — od materiałów kwantowych przez zaawansowaną optoelektronikę po specjalistyczne półprzewodniki dla zastosowań obronnych. Odkrycie to stanowi zatem ważny krok w kierunku nowej ery technologii informacyjnych działających w skali atomowej. Mimo że od laboratorium do praktycznych zastosowań wiedzie długa droga, fundamenty pod potencjalną rewolucję w elektronice zostały położone.