Почти 40 лет назад исследователи из IBM с помощью сканирующего туннельного микроскопа выложили на поверхности кристалла название своей компании из 35 атомов. Это был первый случай манипуляции отдельными атомами, но процесс занимал часы, требовал сверхнизких температур и работал только в двух измерениях. С тех пор ученые освоили оптические пинцеты и осциллирующие электрические поля для ловли ионов и нейтральных атомов — но опять же только в вакууме и при температурах, близких к абсолютному нулю.

Секрет новой технологии — в умном использовании электронного пучка. Исследователи из Массачусетского технологического института и Ок-Риджской национальной лаборатории разработали алгоритмы, которые наводят пучок с точностью до нескольких пикометров (это в тысячу раз точнее диаметра атома). Затем луч не просто бомбардирует кристалл, а движется по особым осциллирующим траекториям. Электроны взаимодействуют с атомами не хаотично, а организованно, и луч «толкает» целые колонны атомов на новые позиции. При этом, что важно, для управления и обратной связи используется очень мало электронов, что позволяет уберечь кристалл от разрушения, сообщает MIT News.

В эксперименте мишенью служил полупроводниковый материал толщиной 13 нанометров, содержащий атомы хрома. За 40 минут команда создала 40 000 квантовых дефектов — переставила 40 000 атомов хрома из одних позиций в другие.

Квантовый дефект — это искусственное «несовершенство» в идеальном кристалле, например, отсутствие атома или атом не на своём месте. Такие дефекты могут обладать свойствами кубитов: они чувствительны к электрическим и магнитным полям, могут излучать одиночные фотоны или служить сверхчувствительными сенсорами. Раньше дефекты создавались случайно или в крошечных количествах. Теперь их можно «печатать» массово, в трех измерениях и при комнатной температуре, что делает возможными практические квантовые устройства вне вакуумных камер.

Авторы признают, что метод проверен только на одном материале — полупроводнике с хромом, который обладает уникальной электронной структурой. Сейчас они изучают, на какие другие кристаллы можно распространить этот подход. Однако сам принцип — движение атомов внутри твердого тела с помощью управляемого электронного пучка — открывает путь к «программируемой материи»: когда мы можем не просто пассивно выбирать материал с нужными свойствами, а активно перестраивать его атомарную архитектуру под конкретную квантовую задачу.

Американские исследователи разработали акустический метаматериал с изменяемыми свойствами, способный управлять звуковыми волнами, изгибая, ослабляя или фокусируя их. Более того, он обладает способностью настраиваться в реальном времени, используя практически бесконечное количество возможных форм.