Pojedyncze fotony mają zastosowanie w obliczeniach kwantowych, sieciach informacyjnych i czujnikach, a te mogą być emitowane przez defekty atomowo cienkiego izolatora, jakim jest heksagonalny azotek boru (hBN). Sugerowano, że brakujące atomy azotu są strukturą atomową odpowiedzialną za tę aktywność, ale trudno jest je usunąć w sposób kontrolowany. Zespół z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Wiedeńskiego wykazał teraz, że pojedyncze atomy można wyrzucać za pomocą skaningowego transmisyjnego mikroskopu elektronowego w ultrawysokiej próżni. Wyniki opublikowano w czasopiśmie Small.
Transmisyjna mikroskopia elektronowa pozwala nam zobaczyć strukturę atomową materiałów i szczególnie dobrze nadaje się do bezpośredniego ujawnienia wszelkich defektów w sieci próbki, które mogą być szkodliwe lub przydatne w zależności od zastosowania. Jednak energetyczna wiązka elektronów może również uszkodzić strukturę, albo z powodu zderzeń sprężystych, albo wzbudzeń elektronicznych, albo kombinacji obu. Ponadto wszelkie gazy pozostawione w próżni instrumentu mogą przyczynić się do uszkodzenia, w wyniku czego zdysocjowane cząsteczki gazu mogą wytrawić atomy sieci. Do tej pory pomiary hBN za pomocą transmisyjnej mikroskopii elektronowej były prowadzone w stosunkowo złych warunkach próżniowych, co prowadziło do szybkiego uszkodzenia. Ze względu na to ograniczenie nie było jasne, czy wakaty – pojedyncze brakujące atomy – mogą być tworzone w sposób kontrolowany.
Na Uniwersytecie Wiedeńskim udało się teraz stworzyć pojedyncze wakaty atomowe za pomocą skaningowej transmisyjnej mikroskopii elektronowej z korekcją aberracji w bliskiej ultrawysokiej próżni. Materiał został napromieniowany w zakresie energii wiązki elektronów, co wpływa na zmierzony stopień uszkodzenia. Przy niskich energiach uszkodzenia są znacznie wolniejsze niż wcześniej mierzono w gorszych warunkach próżni resztkowej. Pojedyncze wakaty boru i azotu mogą powstawać przy pośrednich energiach elektronów, a prawdopodobieństwo wyrzucenia boru jest dwa razy większe ze względu na jego mniejszą masę. Chociaż atomowo precyzyjne pomiary nie są wykonalne przy wyższych energiach, które wcześniej były używane do emitowania pojedynczych fotonów przez hBN, wyniki przewidują, że azot z kolei będzie łatwiejszy do wyrzucenia – umożliwiając preferencyjne tworzenie tych świecących wakatów.
Solidne statystyki zebrane w wyniku żmudnych prac eksperymentalnych w połączeniu z nowymi modelami teoretycznymi były kluczowe dla wyciągnięcia tych wniosków. Główny autor, Thuy An Bui, pracowała nad projektem od czasu napisania pracy magisterskiej: „Przy każdej energii elektronu musiałam spędzić wiele dni przy mikroskopie, starannie zbierając jedną serię danych po drugiej” – mówi. „Po zebraniu danych wykorzystaliśmy uczenie maszynowe, aby pomóc je dokładnie przeanalizować, chociaż nawet to wymagało dużo pracy”. Starszy autor, Toma Susi, dodaje: „Aby zrozumieć mechanizm uszkodzeń, stworzyliśmy przybliżony model, który łączy jonizację z uszkodzeniami domina. To pozwoliło nam ekstrapolować wyższe energie i rzucić nowe światło na powstawanie defektów”.
Pomimo swojego izolującego charakteru, wyniki pokazują, że jednowarstwowy heksagonalny azotek boru jest zaskakująco stabilny w przypadku napromieniowania elektronami, gdy można zapobiec trawieniu chemicznemu. W przyszłości możliwe będzie wykorzystanie napromieniowania elektronami do celowego tworzenia określonych wakatów, które emitują pojedyncze fotony światła poprzez selektywne napromienianie pożądanych miejsc sieci za pomocą zogniskowanej sondy elektronowej. Mogą również zostać odkryte nowe możliwości atomowo precyzyjnej manipulacji, które do tej pory wykazano w przypadku atomów zanieczyszczeń w grafenie i krzemie masowym.
Prace były wspierane przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych (ERBN) w ramach programu Unii Europejskiej w zakresie badań naukowych i innowacji Horyzont 2020 (umowa grantowa nr 756277-ATMEN) oraz przez Wiedeńską Szkołę Doktorską Fizyki (VDS-P). Wraz z publikacją dostarczane są otwarte dane i kod.