C'est depuis longtemps un rêve d'inventer de nouveaux matériaux de « haut en bas » en choisissant quels atomes vont où créer les propriétés d'intérêt. Une technique créée par des chercheurs du Département de physique et d'astronomie leur permet d'« esquisser » des schémas d'électrons dans un matériau quantique programmable :l'aluminate de lanthane/titanate de strontium ou « LAO/STO ». En utilisant cette approche, ils peuvent créer des dispositifs quantiques et avec des tailles de caractéristiques comparables à l'espacement entre les électrons, et même « esquisser » des réseaux artificiels que les électrons peuvent traverser, avec une précision extrêmement élevée.

Pour développer cette capacité, les chercheurs ont réutilisé un instrument de lithographie par faisceau d'électrons, qui est habituellement utilisé pour créer des nanostructures en exposant une réserve qui durcit en un masque, permettant d'ajouter ou de retirer ultérieurement des couches de matériau. Au lieu de faire fonctionner l'instrument à sa valeur habituelle de 20, 000 volts, les chercheurs l'ont réduit à quelques centaines de volts seulement, où les électrons ne pouvaient pas pénétrer la surface de leur matériau d'oxyde, et au lieu de cela, sans aucune résistance, catalyser une réaction de surface qui rend la surface LAO chargée positivement, et l'interface LAO/STO localement conductrice. Le faisceau d'électrons est de 10, 000 fois plus rapide à l'écriture par rapport à la lithographie par microscope à force atomique, sans perdre la résolution spatiale ou la capacité à être reprogrammé. En outre, les auteurs ont montré que cette technique permet de programmer l'interface LAO/STO lorsqu'elle est intégrée à d'autres couches 2D telles que le graphène.

L'équipe est dirigée par Jeremy Levy, professeur émérite de physique de la matière condensée et directeur du Pittsburgh Quantum Institute, décrire la méthode dans l'article, "Contrôle à l'échelle nanométrique du LaAIO 3 /SrTiO 3 transition métal-isolant à l'aide de la lithographie par faisceau d'électrons à ultra-basse tension. » L'article a été publié dans Lettres de physique appliquée le 21 décembre.

Dengyu Yang, un étudiant diplômé qui a développé la technique et est l'auteur principal de l'article, l'a comparé à « imaginer un croquis sur une toile avec un stylo ».

"Dans ce cas, la toile est LAO/STO et le "stylo" est un faisceau d'électrons. Cette puissante capacité nous permet de participer à des structures plus complexes et de faire passer le dispositif d'une dimension à deux dimensions, " elle a dit.

Yang et Levy ont déclaré que la découverte pourrait avoir des implications dans les domaines du transport quantique et de la simulation quantique.

"Nous sommes très intéressés par l'utilisation de cette technique pour créer par programmation de nouvelles familles de matériaux électroniques bidimensionnels basés sur des réseaux d'atomes artificiels écrits à l'aide de cette technique. Notre groupe a récemment publié un article dans Avancées scientifiques démontrer l'idée de la simulation quantique dans des dispositifs unidimensionnels, en utilisant la méthode AFM. Cette nouvelle technique basée sur EBL va nous permettre de réaliser une simulation quantique en deux dimensions, " dit Lévy.

En plus de Yang et Levy, Les collaborateurs de Pitt sur le papier incluent le professeur de recherche Patrick Irvin et les étudiants diplômés Shan Hao, Qing Guo, Muqing Yu, Yang Hu, Professeur adjoint Jun Chen de la Swanson School of Engineering. Les affiliations supplémentaires incluent le Département de science et d'ingénierie des matériaux de l'Université du Wisconsin-Madison et le Pittsburgh Quantum Institute.