超高真空中产生的原子级薄绝缘体中的单原子空位

单光子在量子计算、信息网络和传感器中有应用，这些可以由原子级薄绝缘体六方氮化硼(hBN)中的缺陷发射。缺失的氮原子被认为是导致这种活性的原子结构，但很难可控地去除它们。维也纳大学物理学院的一个团队现已表明，可以在超高真空下使用扫描透射电子显微镜将单个原子踢出。结果发表在Small杂志上。

透射电子显微镜使我们能够看到材料的原子结构，它特别适合直接揭示样品晶格中的任何缺陷，这些缺陷可能有害或有用，具体取决于应用。然而，高能电子束也可能由于弹性碰撞或电子激发或两者的结合而损坏结构。此外，留在仪器真空中的任何气体都可能造成损坏，从而离解的气体分子会蚀刻掉晶格的原子。到目前为止，hBN的透射电子显微镜测量是在相对较差的真空条件下进行的，导致快速损坏。由于这种限制，尚不清楚空位(单个缺失原子)是否可以可控地产生。

在维也纳大学，现在已经在近超高真空中使用像差校正扫描透射电子显微镜实现了单原子空位的产生。该材料在一系列电子束能量下被辐照，这会影响测量的损坏率。在低能量下，损坏比之前在较差的残余真空条件下测量的要慢得多。单个硼和氮空位可以在中间电子能量下产生，并且硼由于其较低的质量而被弹出的可能性是其两倍。尽管原子精确测量在以前用于使hBN发射单光子的更高能量下是不可行的，结果预测氮气反过来变得更容易喷射，从而优先产生这些闪亮的空位。

通过艰苦的实验工作结合新的理论模型收集的可靠统计数据对于得出这些结论至关重要。主要作者ThuyAnBui从她的硕士论文开始就从事该项目。“在每个电子能量下，我需要在显微镜前花很多天仔细收集一系列数据，”她说。“收集数据后，我们使用机器学习来帮助准确分析数据，尽管这需要大量工作。”

资深作者TomaSusi补充道：“为了了解损伤机制，我们创建了一个将电离与连锁损伤相结合的近似模型。这使我们能够推断出更高的能量，并为缺陷的产生提供新的思路。”

尽管具有绝缘性质，但结果表明，当可以防止化学蚀刻时，单层六方氮化硼在电子辐射下出人意料地稳定。将来，通过用聚焦电子探针选择性地照射所需的晶格位置，可能会使用电子辐照有目的地产生特定的空位，从而发出单光子光子。原子精确操作的新机会，直到现在已经证明用于石墨烯和块状硅中的杂质原子，也可能会被发现。