Forskere opfinder metode til at skitsere kvanteenheder med fokuserede elektroner

Det har længe været en drøm at opfinde nye materialer fra "top down" for at vælge, hvilke atomer der går hen til konstruere ejendomme af interesse. En teknik skabt af forskere fra Institut for Fysik og Astronomi gør dem i stand til at "skitsere" elektroners mønstre til et programmerbart kvantemateriale - lanthanaluminat/strontiumtitanat eller "LAO/STO". Ved hjælp af denne tilgang, de kan oprette kvanteenheder og med funktionsstørrelser, der kan sammenlignes med afstanden mellem elektroner, og endda "skitsere" kunstige gitter for elektroner at krydse, med ekstrem høj præcision.

For at udvikle denne evne, forskerne genanvendte et elektronstråle litografisk instrument, som normalt bruges til at skabe nanostrukturer ved at afsløre en resist, der hærder til en maske, muliggør efterfølgende tilføjelse eller fjernelse af lag af materiale. I stedet for at betjene instrumentet til dets sædvanlige værdi på 20, 000 volt, forskerne ringede den ned til kun et par hundrede volt, hvor elektronerne ikke kunne trænge ind i overfladen af ​​deres oxidmateriale, og i stedet - uden modstand - katalysere en overfladereaktion, der gør LAO -overfladen positivt ladet, og LAO/STO -grænsefladen lokalt ledende. Elektronstrålen er 10, 000 gange hurtigere ved skrivning sammenlignet med atomkraftmikroskopbaseret litografi, uden at miste rumlig opløsning eller evne til at blive omprogrammeret. Ud over, forfatterne viste, at denne teknik kan programmere LAO/STO-grænsefladen, når den er integreret med andre 2-D-lag, såsom grafen.

Teamet ledes af Jeremy Levy, en fremtrædende professor i kondenseret materiefysik og direktør for Pittsburgh Quantum Institute, beskrive metoden i papiret, "Nanoskala kontrol af LaAIO ₃ /SrTiO ₃ metalisolatorovergang ved hjælp af ultralavspænding elektronstråle litografi. "Papiret blev offentliggjort i Anvendt fysik bogstaver den 21. december.

Dengyu Yang, en kandidatstuderende, der udviklede teknikken og er hovedforfatter på papiret, sammenlignet det med at "billedføre en skitse på et lærred med en pen".

"I dette tilfælde, lærredet er LAO/STO og "pennen" er en elektronstråle. Denne kraftfulde evne giver os mulighed for at deltage med mere komplekse strukturer og bruge enheden fra en dimension til to dimensioner, " hun sagde.

Yang og Levy sagde, at opdagelsen kunne have konsekvenser inden for kvantetransport og kvantesimulering.

"Vi er meget interesserede i at bruge denne teknik til programmatisk at oprette nye familier af todimensionale elektroniske materialer baseret på arrays af kunstige atomer skrevet ved hjælp af denne teknik. Vores gruppe offentliggjorde for nylig et papir i Videnskab fremskridt demonstrere ideen om kvantesimulering i endimensionelle enheder, ved hjælp af AFM -metoden. Denne nye EBL-baserede teknik gør det muligt for os at udføre kvantesimulering i to dimensioner, "sagde Levy.

Ud over Yang og Levy, Pitts samarbejdspartnere på papiret omfatter forskningsprofessor Patrick Irvin og kandidatstuderende Shan Hao, Qing Guo, Muqing Yu, Yang Hu, Lektor Jun Chen fra Swanson School of Engineering. Yderligere tilknytninger omfatter Department of Materials Science and Engineering ved University of Wisconsin-Madison og Pittsburgh Quantum Institute.