Há muito tempo é um sonho inventar novos materiais de "cima para baixo", escolhendo quais átomos vão para onde criar propriedades de interesse. Uma técnica criada por pesquisadores do Departamento de Física e Astronomia permite "esboçar" padrões de elétrons em um material quântico programável - aluminato de lantânio / titanato de estrôncio ou "LAO / STO". Usando essa abordagem, eles podem criar dispositivos quânticos e com tamanhos de recursos comparáveis ​​ao espaçamento entre elétrons, e até mesmo "esboçar" redes artificiais para os elétrons atravessarem, com altíssima precisão.

Para desenvolver essa capacidade, os pesquisadores reaproveitaram um instrumento de litografia por feixe de elétrons, que normalmente é usado para criar nanoestruturas, expondo uma resistência que endurece em uma máscara, permitindo que camadas de material sejam subsequentemente adicionadas ou removidas. Em vez de operar o instrumento em seu valor usual de 20, 000 volts, os pesquisadores reduziram para apenas algumas centenas de volts, onde os elétrons não podem penetrar na superfície de seu material de óxido, e em vez disso - sem qualquer resistência - catalisar uma reação de superfície que torna a superfície LAO carregada positivamente, e a interface LAO / STO localmente condutora. O feixe de elétrons é 10, 000 vezes mais rápido na escrita em comparação com a litografia baseada em microscópio de força atômica, sem perder a resolução espacial ou capacidade de ser reprogramado. Além disso, os autores mostraram que esta técnica pode programar a interface LAO / STO quando integrada com outras camadas 2-D como o grafeno.

A equipe é liderada por Jeremy Levy, um distinto professor de física da matéria condensada e diretor do Pittsburgh Quantum Institute, descreva o método no artigo, "Controle em nanoescala de LaAIO ₃ / SrTiO ₃ transição metal-isolador usando litografia de feixe de elétrons de voltagem ultrabaixa. "O artigo foi publicado em Cartas de Física Aplicada em 21 de dezembro.

Dengyu Yang, um estudante de pós-graduação que desenvolveu a técnica e é o autor principal do artigo, comparou-o a "imaginar um esboço em uma tela com uma caneta".

"Nesse caso, a tela é LAO / STO e a "caneta" é um feixe de elétrons. Esta poderosa habilidade nos permite participar com estruturas mais complexas e expandir o dispositivo de uma dimensão para duas dimensões, " ela disse.

Yang e Levy disseram que a descoberta pode ter implicações nas áreas de transporte quântico e simulação quântica.

"Estamos muito interessados ​​em usar esta técnica para criar programaticamente novas famílias de materiais eletrônicos bidimensionais com base em matrizes de átomos artificiais escritos usando esta técnica. Nosso grupo publicou recentemente um artigo em Avanços da Ciência demonstrando a ideia de simulação quântica em dispositivos unidimensionais, usando o método AFM. Esta nova técnica baseada em EBL nos permitirá realizar simulação quântica em duas dimensões, "disse Levy.

Além de Yang e Levy, Os colaboradores de Pitt no estudo incluem o professor de pesquisa Patrick Irvin e os alunos de pós-graduação Shan Hao, Qing Guo, Muqing Yu, Yang Hu, Professor Assistente Jun Chen da Swanson School of Engineering. Afiliações adicionais incluem o Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da University of Wisconsin-Madison e o Pittsburgh Quantum Institute.