Ilustración de un haz de electrones “dibujando” un punto cuántico en la interfaz LaAlO3 / SrTiO3. Crédito: Muqing Yu
La técnica es 10.000 veces más rápida que los métodos anteriores y puede crear puertas nanoestructuradas activas directamente debajo de materiales bidimensionales como grafeno.
Durante mucho tiempo ha sido un sueño inventar nuevos materiales de “arriba hacia abajo” eligiendo qué átomos van a dónde diseñar propiedades de interés. Una técnica creada por investigadores del Departamento de Física y Astronomía les permite “dibujar” patrones de electrones en un material cuántico programable: aluminato de lantano / titanato de estroncio o “LAO / STO”. Usando este enfoque, pueden crear dispositivos cuánticos y con tamaños de características comparables al espaciado entre electrones, e incluso “dibujar” redes artificiales para que los electrones los atraviesen, con una precisión extremadamente alta.
Para desarrollar esta capacidad, los investigadores reutilizaron un instrumento de litografía por haz de electrones, que normalmente se utiliza para crear nanoestructuras al exponer una resistencia que se endurece en una máscara, lo que permite agregar o eliminar capas de material posteriormente. En lugar de operar el instrumento a su valor habitual de 20.000 voltios, los investigadores lo redujeron a solo unos pocos cientos de voltios, donde los electrones no podían penetrar la superficie de su material de óxido y, en cambio, sin ninguna resistencia, catalizaron una reacción de superficie que hace que la superficie LAO esté cargada positivamente y la interfaz LAO / STO sea conductora localmente. El haz de electrones es 10,000 veces más rápido al escribir en comparación con la litografía basada en microscopios de fuerza atómica, sin perder resolución espacial o capacidad de reprogramación. Además, los autores demostraron que esta técnica puede programar la interfaz LAO / STO cuando se integra con otras capas 2D como el grafeno.
El equipo, dirigido por Jeremy Levy, profesor distinguido de Física de la Materia Condensada y director del Instituto Cuántico de Pittsburgh, describe el método en el artículo, “Control a nanoescala de la transición del aislador metálico LaAIO3 / SrTiO3 utilizando un haz de electrones de voltaje ultra bajo litografía.” El artículo se publicará en Carta de física aplicadas hoy (21 de diciembre de 2020).
Dengyu Yang, un estudiante de posgrado que desarrolló la técnica y es el autor principal del artículo, lo comparó con “la imagen de un boceto en un lienzo con un lápiz”.
“En este caso, el lienzo es LAO / STO y el“ lápiz ”es un haz de electrones. Esta poderosa habilidad nos permite participar con estructuras más complejas y expandir el dispositivo de una dimensión a dos dimensiones ”, dijo.
Yang y Levy dijeron que el descubrimiento podría tener implicaciones en los campos del transporte cuántico y la simulación cuántica.
“Estamos muy interesados en utilizar esta técnica para crear mediante programación nuevas familias de materiales electrónicos bidimensionales basados en matrices de átomos artificiales escritos con esta técnica. Nuestro grupo publicó recientemente un artículo en Science Advances que demuestra la idea de la simulación cuántica en dispositivos unidimensionales, utilizando el método AFM. Esta nueva técnica basada en EBL nos permitirá realizar simulación cuántica en dos dimensiones ”, dijo Levy.
Referencia: 21 de diciembre de 2020, Letras de física aplicada.
Además de Yang y Levy, los colaboradores de Pitt en el artículo incluyen al profesor de investigación Patrick Irvin y los estudiantes graduados Shan Hao, Qing Guo, Muqing Yu, Yang Hu, el profesor asistente Jun Chen de la Escuela de Ingeniería Swanson. Las afiliaciones adicionales incluyen el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad de Wisconsin-Madison y el Instituto Cuántico de Pittsburgh.
