Nueva puerta

Característica del 19 de julio de 2023

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por Ingrid Fadelli, Tech Xplore

El titanato de estroncio (SrTiO3), un óxido de estroncio y titanio con estructura de perovskita, tiene muchas propiedades ventajosas, incluido el acoplamiento de órbita de espín, la sintonizabilidad eléctrica y la superconductividad no convencional. En comparación con la superconductividad de los metales convencionales, como el aluminio o el niobio, la superconductividad del SrTiO3 persiste en densidades de electrones bajas, en las que puede controlarse mediante la aplicación de voltajes eléctricos.

Las propiedades únicas del SrTiO3 lo convierten en un material prometedor para el desarrollo de tecnologías cuánticas. Sin embargo, hasta ahora el desarrollo de estos dispositivos ha resultado bastante complicado debido a los altos niveles de desorden en las nanoestructuras de SrTiO3.

Investigadores de la Universidad de Stanford, el Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC y otros institutos crearon recientemente nuevos dispositivos de puerta sintonizable basados ​​en SrTiO3 que exhiben una alta movilidad de electrones. Estos dispositivos, presentados en un artículo publicado en Nature Electronics, pueden transportar carga cuantificada, lo que podría tener valiosas implicaciones para el desarrollo de la tecnología cuántica basada en SrTiO3.

"Queríamos aprender cómo crear canales estrechos a escala nanométrica en SrTiO3", dijo a Tech Xplore Evgeny Mikheev, uno de los investigadores que llevó a cabo el estudio. "Este material es interesante tanto desde el punto de vista tecnológico como científico debido a su inusual superconductividad, que a bajas densidades puede controlarse aplicando voltajes a los contactos de puerta dentro de estructuras similares a transistores.

"Nuestro principal objetivo era fabricar dispositivos con cantidades suficientemente bajas de defectos e impurezas ("desorden") para entrar en el régimen en el que los electrones fluyen balísticamente a través de una constricción estrecha sin chocar con los defectos. En muestras muy limpias, esto puede conducir a una carga cuantificada. transporte a través de canales balísticos discretos. Esto se puede observar claramente como pasos entre mesetas en los datos de conductancia eléctrica que se muestran en nuestro artículo".

Los dispositivos realizados por Mikheev y sus colegas tienen un diseño único cuidadosamente estudiado para permitir el transporte de carga cuantificada a través de canales balísticos discretos. Se basan en canales de gas de electrones 2D de SrTiO3 y una puerta de líquido iónico, dividida por una fina capa de barrera de óxido de hafnio.

"Nuestro estudio se basa en dos trabajos anteriores del grupo de David Goldhaber-Gordon", explicó Mikheev. "El primero es mi artículo anterior publicado en 2021, en el que informamos sobre una estrecha constricción en el titanato de estroncio. Se hizo creando un gas de electrones 2D en la superficie de SrTiO3 con una técnica llamada activación de líquido iónico. El líquido iónico es localmente ' "sombreado" de titanato de estroncio con un contacto de puerta con nanomodelo, creando la constricción. El aspecto que queríamos mejorar en este estudio era la reducción del desorden".

Reducir el desorden en SrTiO3. Mikheev y sus colegas idearon una solución que se basa en un estudio anterior llevado a cabo por el grupo de David Goldhaber-Gordon y dirigido por Patrick Gallagher, centrándose en dispositivos SrTiO3 activados por líquido iónico. Estos dispositivos eran demasiado anchos para exhibir efectos de cuantificación balística. Sin embargo, el equipo descubrió que al insertar una capa muy delgada de nitruro de boro hexagonal entre el líquido iónico y el SrTiO3, podían reducir significativamente el desorden y las impurezas en los dispositivos.

"El proceso basado en la exfoliación de finas hojuelas hexagonales de nitruro de boro empleada por el grupo de Goldhaber-Gordon en 2015 no es compatible con el proceso de modelado a nanoescala utilizado en nuestro estudio de 2021", dijo Mikheev. "En el trabajo de Nature Electronics, pudimos reemplazar el nitruro de boro con óxido de hafnio depositado mediante deposición de capas atómicas, un proceso más sencillo y fácilmente reproducible para crear una barrera muy delgada. El nuevo proceso logró una reducción similar en el desorden, al tiempo que permitió agregar características de dispositivos a nanoescala".

Utilizando su estrategia de diseño, Mikheev y sus colegas pudieron crear dispositivos de alta movilidad y sintonizables por puerta basados ​​en SrTiO3 que pueden transportar carga cuantificada. En el futuro, su trabajo podría servir como modelo para desarrollar nuevos nanodispositivos con transporte cuántico utilizando SrTiO3, que a su vez podrían contribuir a la creación de prometedores qubits superconductores o topológicos.

"Mi plan a largo plazo es convertir este material en una plataforma de tecnología de la información cuántica, o en un componente de ella", añadió Mikheev. "También hay varias preguntas científicas abiertas e intrigantes sin resolver en este trabajo. Una es el origen de las subbandas en 'forma de Y', que no muestran división de espín hasta campos magnéticos muy altos. Esta es una característica inusual que también fue observada por "El grupo de Jeremy Levy de la Universidad de Pittsburgh está desarrollando un tipo diferente de nanodispositivo basado en SrTiO3. Aún no entendemos su origen, pero esperamos dilucidarlo en experimentos posteriores".

Más información: Evgeny Mikheev et al, Un contacto de punto cuántico balístico limpio en titanato de estroncio, Nature Electronics (2023). DOI: 10.1038/s41928-023-00981-5

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