Het is al lang een droom om nieuwe materialen van bovenaf uit te vinden en te kiezen welke atomen waar naartoe gaan om interessante eigenschappen te ontwikkelen. Een techniek die door onderzoekers van de afdeling Natuur- en Sterrenkunde is ontwikkeld, stelt hen in staat om patronen van elektronen te "schetsen" in een programmeerbaar kwantummateriaal - lanthaanaluminaat/strontiumtitanaat of "LAO/STO". Met behulp van deze aanpak, ze kunnen kwantumapparaten maken en met kenmerken die vergelijkbaar zijn met de afstand tussen elektronen, en zelfs "schets" kunstmatige roosters voor elektronen om te doorkruisen, met extreem hoge precisie.

Om dit vermogen te ontwikkelen, de onderzoekers gebruikten een lithografie-instrument met elektronenstralen, die gewoonlijk wordt gebruikt om nanostructuren te creëren door een resist bloot te leggen die uithardt tot een masker, waardoor materiaallagen achteraf kunnen worden toegevoegd of verwijderd. In plaats van het instrument te laten werken op de gebruikelijke waarde van 20, 000 Volt, de onderzoekers draaiden het terug naar slechts een paar honderd volt, waar de elektronen niet door het oppervlak van hun oxidemateriaal konden dringen, en in plaats daarvan - zonder enige resist - een oppervlaktereactie katalyseren die het LAO-oppervlak positief geladen maakt, en de LAO/STO-interface lokaal geleidend. De elektronenbundel is 10, 000 keer sneller bij het schrijven vergeleken met op atoomkracht microscoop gebaseerde lithografie, zonder de ruimtelijke resolutie of het vermogen om te herprogrammeren te verliezen. In aanvulling, de auteurs toonden aan dat deze techniek de LAO/STO-interface kan programmeren wanneer deze wordt geïntegreerd met andere 2D-lagen zoals grafeen.

Het team wordt geleid door Jeremy Levy, een Distinguished Professor in de fysica van de gecondenseerde materie en directeur van het Pittsburgh Quantum Institute, beschrijf de methode in het document, "Controle op nanoschaal van LaAIO ₃ /SrTiO ₃ metaal-isolatorovergang met behulp van ultra-laagspanningselektronenbundellithografie." Het artikel werd gepubliceerd in Technische Natuurkunde Brieven op 21 december.

Dengyu Yang, een afgestudeerde student die de techniek heeft ontwikkeld en hoofdauteur is van het papier, vergeleek het met "een schets op een canvas afbeelden met een pen."

"In dit geval, het doek is LAO/STO en de "pen" is een elektronenstraal. Dit krachtige vermogen stelt ons in staat om deel te nemen met complexere structuren en het apparaat uit te breiden van één dimensie naar twee dimensies, " ze zei.

Yang en Levy zeiden dat de ontdekking gevolgen zou kunnen hebben op het gebied van kwantumtransport en kwantumsimulatie.

"We zijn erg geïnteresseerd in het gebruik van deze techniek om programmatisch nieuwe families van tweedimensionale elektronische materialen te creëren op basis van arrays van kunstmatige atomen die met deze techniek zijn geschreven. Onze groep heeft onlangs een artikel gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang demonstreren van het idee van kwantumsimulatie in eendimensionale apparaten, volgens de AFM-methode. Deze nieuwe op EBL gebaseerde techniek stelt ons in staat om kwantumsimulatie in twee dimensies uit te voeren, ' zei Levy.

Naast Yang en Levy, Pitt-medewerkers aan het papier zijn onder meer onderzoeksprofessor Patrick Irvin en afgestudeerde studenten Shan Hao, Qing Guo, Muqing Yu, Yang Hu, Universitair docent Jun Chen van de Swanson School of Engineering. Andere affiliaties zijn onder meer het Department of Materials Science and Engineering aan de University of Wisconsin-Madison en het Pittsburgh Quantum Institute.