Durante mucho tiempo ha sido un sueño inventar nuevos materiales "de arriba hacia abajo", eligiendo qué átomos van y dónde se diseñan las propiedades de interés. Una técnica creada por investigadores del Departamento de Física y Astronomía les permite "dibujar" patrones de electrones en un material cuántico programable:aluminato de lantano / titanato de estroncio o "LAO / STO". Usando este enfoque, pueden crear dispositivos cuánticos y con tamaños de características comparables al espaciado entre electrones, e incluso "bosquejar" redes artificiales para que los electrones atraviesen, con una precisión extremadamente alta.

Para desarrollar esta capacidad, los investigadores reutilizaron un instrumento de litografía por haz de electrones, que se utiliza normalmente para crear nanoestructuras exponiendo una resistencia que se endurece en una máscara, permitiendo que capas de material se agreguen o eliminen posteriormente. En lugar de operar el instrumento a su valor habitual de 20, 000 voltios, los investigadores lo redujeron a solo unos pocos cientos de voltios, donde los electrones no pueden penetrar la superficie de su material de óxido, y en su lugar, sin ninguna resistencia, cataliza una reacción de superficie que hace que la superficie de LAO esté cargada positivamente, y la interfaz LAO / STO conductora localmente. El haz de electrones es 10, 000 veces más rápido en la escritura en comparación con la litografía basada en microscopios de fuerza atómica, sin perder resolución espacial ni posibilidad de reprogramación. Además, los autores demostraron que esta técnica puede programar la interfaz LAO / STO cuando se integra con otras capas 2-D como el grafeno.

El equipo está dirigido por Jeremy Levy, un profesor distinguido de física de la materia condensada y director del Instituto Cuántico de Pittsburgh, describir el método en el documento, "Control a nanoescala de LaAIO ₃ / SrTiO ₃ transición metal-aislante utilizando litografía de haz de electrones de voltaje ultrabajo ". El artículo fue publicado en Letras de física aplicada el 21 de diciembre.

Dengyu Yang, un estudiante graduado que desarrolló la técnica y es el autor principal del artículo, lo comparó con "imaginar un boceto en un lienzo con un bolígrafo".

"En este caso, el lienzo es LAO / STO y la "pluma" es un haz de electrones. Esta poderosa habilidad nos permite participar con estructuras más complejas y gastar el dispositivo de una dimensión a dos dimensiones, " ella dijo.

Yang y Levy dijeron que el descubrimiento podría tener implicaciones en los campos del transporte cuántico y la simulación cuántica.

"Estamos muy interesados ​​en utilizar esta técnica para crear mediante programación nuevas familias de materiales electrónicos bidimensionales basados ​​en matrices de átomos artificiales escritos con esta técnica. Nuestro grupo publicó recientemente un artículo en Avances de la ciencia demostrando la idea de simulación cuántica en dispositivos unidimensionales, utilizando el método AFM. Esta nueva técnica basada en EBL nos permitirá realizar simulación cuántica en dos dimensiones, "dijo Levy.

Además de Yang y Levy, Los colaboradores de Pitt en el artículo incluyen al profesor de investigación Patrick Irvin y a los estudiantes graduados Shan Hao, Qing Guo, Muqing Yu, Yang Hu, El profesor asistente Jun Chen de la Escuela de Ingeniería Swanson. Las afiliaciones adicionales incluyen el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad de Wisconsin-Madison y el Instituto Cuántico de Pittsburgh.