Precis som enkristallkiselwafern för alltid förändrade kommunikationens natur för 60 år sedan, en grupp Cornell-forskare hoppas att deras arbete med quantum dot solids - kristaller gjorda av kristaller - kan hjälpa till att inleda en ny era inom elektronik.

Laget, ledd av Tobias Hanrath, docent vid Robert Frederick Smith School of Chemical and Biomolecular Engineering, och doktorand Kevin Whitham, har gjort tvådimensionella överbyggnader av enkristallbyggstenar. Genom ett par kemiska processer, bly-selen nanokristallerna syntetiseras till större kristaller, smälts sedan samman för att bilda atomiskt sammanhängande kvadratiska supergitter.

Skillnaden mellan dessa och tidigare kristallina strukturer är den atomära koherensen för varje 5-nanometer kristall (en nanometer är en miljarddels meter). De är inte förbundna med en substans mellan varje kristall - de är kopplade till varandra. De elektriska egenskaperna hos dessa överbyggnader är potentiellt överlägsna befintliga halvledarnanokristaller, med förväntade tillämpningar inom energiabsorption och ljusemission.

"När det gäller nivån av perfektion, när det gäller att tillverka byggstenarna och koppla dem till dessa överbyggnader, det är förmodligen så långt du kan driva det, Hanrath sa, hänvisar till processens precision i atomär skala.

Hanrath-gruppens tidning, "Laddningstransport och lokalisering i atomärt koherenta kvantprickfasta ämnen, " publiceras i månadens nummer av Naturmaterial .

Detta senaste arbete har vuxit fram ur tidigare publicerad forskning av Hanrath-gruppen, inklusive en uppsats från 2013 publicerad i Nanobokstäver som rapporterade ett nytt tillvägagångssätt för att koppla samman kvantprickar genom kontrollerad förskjutning av en anslutningsmolekyl, kallas en ligand. Den uppsatsen hänvisade till "att koppla ihop prickarna" - dvs elektroniskt koppla varje kvantprick - som ett av de mest ihållande hindren som måste övervinnas.

Den barriären verkar ha rensats med denna nya forskning. Den starka kopplingen av nanokristallerna leder till bildandet av energiband som kan manipuleras baserat på kristallernas makeup, och kan vara det första steget mot att upptäcka och utveckla andra konstgjorda material med kontrollerbar elektronisk struktur.

Fortfarande, Whitham sa, mer arbete måste göras för att få gruppens arbete från labbet till samhället. Strukturen av Hanrath-gruppens supergitter, medan de är överlägsna ligandkopplade fasta nanokristaller, har fortfarande flera källor till störningar på grund av det faktum att alla nanokristaller inte är identiska. Detta skapar defekter, som begränsar elektronvågsfunktionen.

"Jag ser det här dokumentet som en slags utmaning för andra forskare att ta det här till en annan nivå, " sa Whitham. "Detta är så långt vi vet hur vi ska driva det nu, men om någon skulle komma på lite teknik, lite kemi, att ge ytterligare ett steg framåt, det här utmanar andra människor att säga, "Hur kan vi göra det här bättre?"

Hanrath sa att upptäckten kan ses på ett av två sätt, beroende på om du ser glaset som halvtomt eller halvfullt.

"Det motsvarar att säga, "Nu har vi gjort en riktigt stor enkristallskiva av kisel, och du kan göra bra saker med det, '" han sa, hänvisar till den spelförändrande kommunikationsupptäckten på 1950-talet. "Det är den goda delen, men den potentiellt dåliga delen av det är, vi har nu en bättre förståelse att om du ville förbättra våra resultat, dessa utmaningar kommer att bli riktigt, riktigt svårt."