Det har länge varit en dröm att uppfinna nya material från "uppifrån och ner" genom att välja vilka atomer som går vart de ska konstruera egenskaper av intresse. En teknik som skapats av forskare från Institutionen för fysik och astronomi gör det möjligt för dem att "skissa" elektronmönster till ett programmerbart kvantmaterial - lantanaluminat/strontiumtitanat eller "LAO/STO". Med denna metod, de kan skapa kvantanordningar och med funktionsstorlekar som är jämförbara med avståndet mellan elektroner, och till och med "skissa" konstgjorda gitter för elektroner att passera, med extremt hög precision.

För att utveckla denna förmåga, forskarna återanpassade ett elektronstråle litografiskt instrument, som vanligtvis används för att skapa nanostrukturer genom att avslöja en resist som hårdnar i en mask, så att materialskikt sedan kan läggas till eller tas bort. Istället för att använda instrumentet till dess vanliga värde 20, 000 volt, forskarna slog ner det till bara några hundra volt, där elektronerna inte kunde penetrera ytan av deras oxidmaterial, och istället - utan motstånd - katalysera en ytreaktion som gör LAO -ytan positivt laddad, och LAO/STO -gränssnittet lokalt ledande. Elektronstrålen är 10, 000 gånger snabbare att skriva jämfört med atomkraftsmikroskopbaserad litografi, utan att förlora rumslig upplösning eller förmåga att omprogrammeras. Dessutom, författarna visade att denna teknik kan programmera LAO/STO-gränssnittet när det är integrerat med andra 2-D-lager, såsom grafen.

Teamet leds av Jeremy Levy, en framstående professor i kondenserad materiefysik och chef för Pittsburgh Quantum Institute, beskriva metoden i tidningen, "Nanoskala kontroll av LaAIO ₃ /SrTiO ₃ metallisolatorövergång med ultralågspänning elektronstråle litografi. "Papperet publicerades i Tillämpad fysikbokstäver den 21 december.

Dengyu Yang, en doktorand som utvecklat tekniken och är huvudförfattare på pappret, jämförde det med att ”avbilda en skiss på en duk med en penna”.

"I detta fall, duken är LAO/STO och "pennan" är en elektronstråle. Denna kraftfulla förmåga gör att vi kan delta med mer komplexa strukturer och använda enheten från en dimension till två dimensioner, " Hon sa.

Yang och Levy sa att upptäckten kan få konsekvenser inom områdena kvanttransport och kvantsimulering.

"Vi är mycket intresserade av att använda denna teknik för att programmatiskt skapa nya familjer av tvådimensionellt elektroniskt material baserat på matriser av artificiella atomer skrivna med denna teknik. Vår grupp publicerade nyligen ett papper i Vetenskapliga framsteg demonstrera idén med kvantsimulering i endimensionella enheter, med AFM -metoden. Denna nya EBL-baserade teknik gör att vi kan utföra kvantsimulering i två dimensioner, "sa Levy.

Förutom Yang och Levy, Pitts samarbetspartners på tidningen inkluderar forskningsprofessorn Patrick Irvin och doktoranderna Shan Hao, Qing Guo, Muqing Yu, Yang Hu, Biträdande professor Jun Chen från Swanson School of Engineering. Ytterligare anslutningar inkluderar Institutionen för materialvetenskap och teknik vid University of Wisconsin-Madison och Pittsburgh Quantum Institute.