量子的进步依赖于基于多种最先进的纳米光刻技术的纳米线的生产，通过自下而上的合成来开发线。然而，一个关键的挑战是生长均匀的原子晶体线并构建网络结构以构建纳米电路。
在Science Advances的一份新报告中，Tomoya Asaba 和京都大学、日本东京大学以及德国理论物理研究所的一组物理和材料科学研究人员发现了一种开发原子尺度的简单方法纳米环、条纹和 X-/Y- 结形状的导线。
使用脉冲激光沉积，物理学家和材料科学家生长出莫特绝缘体的单晶原子级导线，它保持了与宽禁带半导体相当的带隙。这种电线的厚度是一个单位电池，长度只有几微米。研究人员通过非平衡反应-扩散过程观察原子模式的形成，为原子级自组织现象提供前所未有的视角，从而深入了解纳米网络中量子结构的形成。
设计原子级纳米线的新方法
当尺寸减小时，大多数技术设备的基本特征都会发生变化。当器件缩小到纳米级时，一维线型的制造和集成变得越来越复杂。使用电子束和聚焦离子束光刻等大型设备开发自上而下的方法以包括厚度和宽度小于 10 纳米的纳米线是另一个技术挑战。
同样，使用自组装过程的自下而上技术也不能有效地确定导线的均匀性。在自下而上的工程中，纳米线阵列集成取决于两个复杂的步骤：首先生长随机取向的纳米线，然后将它们排列成阵列；因此，这需要一种新方法来制造统一的原子级线材和设计纳米图案。
在这项工作中，Asaba 及其同事通过简单的沉积方法在原子尺度上设计了均匀且长的三氯化钌(RuCl 3 )单晶线。他们制造了实现量子纳米电路所必需的几种特征图案，包括原子平滑结和纳米环。三氯化钌材料作为莫特绝缘体很有趣，其中电子-电子相互作用打开了一个能隙。该团队将纳米线图案形成并集成为薄膜生长过程的一部分，从而与原子级线图案背后的传统方法不同——转而促进自组织。
工程纳米电路
在实验过程中，该团队使用脉冲激光沉积在高度定向的热解石墨表面熔化三氯化钌，并使用扫描隧道显微镜观察结果。他们获得了在高沉积温度下生长的样品的原子分辨率图像，以检测由独特的金属丝图案覆盖的表面。虽然每根线都由周期性间隔的原子组成，但他们注意到了单晶结构。材料科学家随后通过延长沉积时间来研究形成原子级导线的材料，以生长二维单层和更厚的薄膜，并验证其成分为结晶三氯化钌。
原子线保持超过 3 微米的长度，这是一个独特且前所未有的特征。它们还包含在热解石墨表面生长的两个或四个三氯化钌单晶链。在其结构中，导线最初由材料的四极链组成，后来随着温度的降低而减少为双链，形成原子级光滑的结和环，没有缺陷和簇，最终设计出纳米电路。
表征纳米电路
材料科学家接下来通过测量微分隧道电导来研究材料的电子结构，并将结果与各种形式的材料和热解石墨表面进行比较。他们注意到三氯化钌中存在明显的能量间隙，表明存在半导体或绝缘电子结构。
他们通过对三氯化钌材料的变体形式（包括双链线及其单层和块体形式）进行系统的能带计算来揭示能隙的起源，以观察电子相关性和自旋轨道相互作用。该材料最终在研究中使用的所有实验结构中 揭示了费米能量的开放能隙，以确认该材料是莫特绝缘体。
图案形成的机制
该团队将纳米线阵列的形成归功于不同于迄今为止已知的任何工艺的薄膜生长。除了在实验中观察到的条纹图案外，该团队还讨论了图案形成的潜在机制和几个不同特征的出现。根据模式，静态相互作用不是原子线阵列的驱动力。
相反，他们将这一特征归功于非平衡反应扩散过程。由于扫描隧道显微镜速度太慢，无法捕捉到薄膜生长的动态过程，该团队希望在原子尺度上对动态过程进行直接测量，以充分了解生长机制。
外表
通过这种方式，Tomoya Asaba 及其同事假设反应扩散机制可以刺激原子线中图案形成的起源，从而通过图灵不稳定性导致条纹图案的表现。该特征促成了空间周期性模式的自发出现。
纳米线和结极大地提高了电子电路的集成度，为探索适用于奇异电子态和量子进步的基于原子尺度的非平衡自组织现象提供了一个物理平台。
