Лаборатория в Ок-Ридже создала систему, которая почти без помощи человека собирает молекулярные структуры. За 25 часов непрерывной работы алгоритм расставил 37 молекул угарного газа на поверхности медной пластины, совершив при этом около 900 манипуляций. Результат — решётка, в которой электроны ведут себя как в графене.

Эксперимент использовал сканирующий туннельный микроскоп со сверхострым наконечником для перемещения отдельных молекул. Ручная сборка требует постоянного подбора напряжения, силы туннельного тока, скорости и траектории движения. Одно неверное действие может повредить сам наконечник.

Систему построили из нескольких алгоритмов. YOLO обнаруживал молекулы CO на поверхности медного образца Cu(111), другая программа сопоставляла каждую молекулу с целевой позицией. Обучение с подкреплением подбирало оптимальные параметры управления микроскопом. За успешный перенос модель получала награду и постепенно отказывалась от менее надёжных вариантов.

На первом этапе программа работала со случайными параметрами. Первые 100 действий были случайной выборкой, затем управление перешло к обученной модели. Во время сборки алгоритм корректировал параметры с учётом направления кристаллической решётки меди, прокладывал пути вокруг уже размещённых молекул и компенсировал смещение изображения.

Главной задачей была сборка 37 молекул в форме правильных шестиугольников. Это не настоящий графен, но молекулы CO создают на медной поверхности искусственный потенциал для электронов, воспроизводя нужную электронную структуру. Спектроскопия подтвердила наличие характерной точки Дирака — показателя того, что решётка приобрела ожидаемые свойства графена.

Установка не полностью автономна. Сборка структуры из 37 молекул заняла около 25 часов и потребовала примерно 900 циклов, каждый длился около минуты. Система могла работать много часов без оператора, но человек должен был вмешиваться, когда наконечник микроскопа теряет стабильность.

Следующий этап — обратное проектирование. Специалист зададим нужное электронное свойство, а алгоритм рассчитает подходящую геометрию и попытается собрать структуру самостоятельно. Авторы видят перспективы в создании искусственных квантовых материалов и топологических кубитов, хотя до промышленного производства таких устройств ещё далеко.

Управляемая сборка вещества на молекулярном уровне развивается несколькими путями одновременно. Недавние работы показали, как расставлять атомы в сложные узоры — из научной демонстрации это превратилось в инструмент для будущих квантовых систем.

Необычное расположение частиц может менять свойства электронов даже без изменения химического состава вещества. Исследования обнаружили состояния, при которых максимум заряда возникает в пустом узле решётки. Это объясняет, почему возможность проектировать расположение частиц привлекает физиков так же, как поиск новых материалов.