La manipulación atómica del silicio baila al son de un «vals atómico» Un método no destructivo para manipular con precisión atómica impurezas donantes en una estructura cristalina reticular de silicio podría favorecer la fabricación de cúbits de estado sólido. Economía digital © imred, Shutterstock En la carrera por lograr la supremacía cuántica, los científicos han estado estudiando diferentes arquitecturas, una de las cuales es el cúbit de estado sólido: la unidad básica del procesamiento de información cuántica. Pero ¿cómo se crea un cúbit? Hasta la fecha, los logros tecnológicos de la industria de la fabricación de silicio, así como las ventajas basadas en las propiedades de este compuesto, se han centrado en los espines nucleares de los átomos donantes con carga positiva dentro del silicio cristalino. Con todo, crear estos cúbits constituye todo un reto, y uno de sus principales escollos radica en el posicionamiento preciso de estas impurezas donantes, denominadas dopantes, que se agregan en pequeñas cantidades para modificar las propiedades del silicio. Un equipo internacional de investigación dirigido por la Universidad de Viena (Austria) estudió el comportamiento de los dopantes del grupo V (fósforo, arsénico, antimonio y bismuto) en silicio irradiado con electrones. Sus investigadores, que cuentan con el respaldo del proyecto financiado con fondos europeos ATMEN, han descubierto ahora una forma no destructiva de mover átomos dopantes en una estructura cristalina reticular de silicio con precisión atómica. A través de este mecanismo innovador, denominado intercambio indirecto, dos átomos de silicio adyacentes participan en lo que un artículo publicado por la universidad en «Phys.org» denomina «un “vals” atómico coordinado». Los hallazgos del equipo, publicados en la revista científica «The Journal of Physical Chemistry C», constituyen quizá una de las claves para crear cúbits de estado sólido. Los investigadores obtuvieron estos resultados mediante el empleo de un microscopio electrónico de transmisión con unidad de barrido (STEM, por sus siglas en inglés), una técnica que utiliza un haz de electrones focalizado para manipular materiales firmemente unidos con precisión atómica. «El punto fuerte de esta técnica radica en su capacidad para acceder no solo a los átomos de la superficie, sino también a las impurezas en obleas cristalinas finas —comenta el autor principal del estudio, Toma Susi, profesor ayudante doctor en la Universidad de Viena—. Esta no es solo una posibilidad teórica: nuestros colaboradores estadounidenses demostraron recientemente la primera prueba de principio de manipulación de dopantes de bismuto en silicio». El equipo descubrió que, en el mecanismo de intercambio indirecto observado, se produce un efecto dominó en el que el átomo dopante ocupa la posición en la estructura cristalina reticular que el átomo de silicio afectado ocupaba originalmente. Sin embargo, a diferencia de lo que ocurre con materiales como el grafeno, el átomo de silicio no acaba siendo vecino de la impureza donante, sino que se convierte en el segundo vecino más cercano al desplazar otro átomo de silicio. Solo dopantes más pesados del grupo V No obstante, este proceso solo tiene lugar con los dos dopantes más pesados del grupo V: el antimonio y el bismuto. Con los dos más ligeros, el arsénico y el fósforo, las simulaciones no revelaron ningún intercambio indirecto. «Si bien este mecanismo solo funciona para los dos elementos donantes más pesados, el antimonio y el bismuto, era crucial confirmar que no es destructivo, ya que no es necesario eliminar ningún átomo de la estructura cristalina reticular», comenta el primer autor del estudio, el doctor Alexander Markevich, también de la Universidad de Viena. Tras corroborar la manipulación con dopantes de bismuto, el equipo demostró por primera vez que el STEM puede emplearse para manipular de forma satisfactoria las impurezas de antimonio en una fina placa cristalina de silicio. Entonces, ¿qué repercusiones tiene esto para la fabricación de cúbits? Susi explica: «Hace muy poco, se planteó que los dopantes de antimonio en silicio podrían ser candidatos prometedores a cúbits de espín nuclear de estado sólido; nuestro trabajo puede abrir una vía para su fabricación determinista». El proyecto ATMEN (Atomic precision materials engineering) finalizará en septiembre de 2022. Para más información, consulte: proyecto ATMEN Palabras clave ATMEN, cúbit, cuántico, silicio, átomo, dopante, antimonio, bismuto
