Self-assembling materials are the building blocks of bottom-up nanofabrication processes, but they need to be templated to impose long-range order and eliminate defects. In this work, the self-assembly of a thin film of a spherical-morphology block copolymer is templated using an array of nanoscale topographical elements that act as surrogates for the minority domains of the block copolymer. The orientation and periodicity of the resulting array of spherical microdomains are governed by the commensurability between the block copolymer period and the template period and is accurately described by a free-energy model. This method, which forms high-spatial-frequency arrays using a lower-spatial-frequency template, will be useful in nanolithography applications such as the formation of high-density microelectronic structures.

Atomically thin molybdenum disulfide (MoS2) is an ideal semiconductor material for field-effect transistors (FETs) with sub-10 nm channel lengths. The high effective mass and large bandgap of MoS2 minimize direct source–drain tunneling, while its atomically thin body maximizes the gate modulation efficiency in ultrashort-channel transistors. However, no experimental study to date has approached the sub-10 nm scale due to the multiple challenges related to nanofabrication at this length scale and the high contact resistance traditionally observed in MoS2 transistors. Here, using the semiconducting-to-metallic phase transition of MoS2, we demonstrate sub-10 nm channel-length transistor fabrication by directed self-assembly patterning of mono- and trilayer MoS2. This is done in a 7.5 nm half-pitch periodic chain of transistors where semiconducting (2H) MoS2 channel regions are seamlessly connected to metallic-phase (1T′) MoS2 access and contact regions. The resulting 7.5 nm channel-length MoS2 FET has a low off-current of 10 pA/μm, an on/off current ratio of >107, and a subthreshold swing of 120 mV/dec. The experimental results presented in this work, combined with device transport modeling, reveal the remarkable potential of 2D MoS2 for future sub-10 nm technology nodes.

We demonstrate Mach-Zehnder-type interferometry in a superconducting flux qubit. The qubit is a tunable artificial atom, whose ground and excited states exhibit an avoided crossing. Strongly driving the qubit with harmonic excitation sweeps it through the avoided crossing two times per period. As the induced Landau-Zener transitions act as coherent beamsplitters, the accumulated phase between transitions, which varies with microwave amplitude, results in quantum interference fringes for n=1...20 photon transitions. The generalization of optical Mach-Zehnder interferometry, performed in qubit phase space, provides an alternative means to manipulate and characterize the qubit in the strongly-driven regime.

We investigated electron-beam lithography with an aberration-corrected scanning transmission electron microscope. We achieved 2 nm isolated feature size and 5 nm half-pitch in hydrogen silsesquioxane resist. We also analyzed the resolution limits of this technique by measuring the point-spread function at 200 keV. Furthermore, we measured the energy loss in the resist using electron-energy-loss spectroscopy.

We have fabricated and tested superconducting single-photon detectors and demonstrated detection efficiencies of 57% at 1550-nm wavelength and 67% at 1064 nm. In addition to the peak detection efficiency, a median detection efficiency of 47.7% was measured over 132 devices at 1550 nm. These measurements were made at 1.8K, with each device biased to 97.5% of its critical current. The high detection efficiencies resulted from the addition of an optical cavity and anti-reflection coating to a nanowire photodetector, creating an integrated nanoelectrophotonic device with enhanced performance relative to the original device. Here, the testing apparatus and the fabrication process are presented. The detection efficiency of devices before and after the addition of optical elements is also reported.

We show that light can be used as a lens to focus a collimated neutral atomic beam to submicron dimensions during deposition onto a substrate. We have used an optical standing wave at 589 nm as an array of cylindrical lenses to focus a perpendicular sodium beam into a grating on a substrate, with a periodicity of 294.3\ifmmode\pm\else\textpm\fi{}0.3 nm. This result is the first direct evidence of submicron focusing of atoms by light, and represents a fundamentally new scheme for submicron lithography.

Improving the temporal resolution of single photon detectors has an impact on many applications, such as increased data rates and transmission distances for both classical and quantum optical communication systems, higher spatial resolution in laser ranging and observation of shorter-lived fluorophores in biomedical imaging. In recent years, superconducting nanowire single-photon detectors (SNSPDs) have emerged as the highest efficiency time-resolving single-photon counting detectors available in the near infrared. As the detection mechanism in SNSPDs occurs on picosecond time scales, SNSPDs have been demonstrated with exquisite temporal resolution below 15 ps. We reduce this value to 2.7$\pm$0.2 ps at 400 nm and 4.6$\pm$0.2 ps at 1550 nm, using a specialized niobium nitride (NbN) SNSPD. The observed photon-energy dependence of the temporal resolution and detection latency suggests that intrinsic effects make a significant contribution.

Photonic integrated circuits (PICs) have emerged as a scalable platform for complex quantum technologies using photonic and atomic systems. A central goal has been to integrate photon-resolving detectors to reduce optical losses, latency, and wiring complexity associated with off-chip detectors. Superconducting nanowire single-photon detectors (SNSPDs) are particularly attractive because of high detection efficiency, sub-50-ps timing jitter, nanosecond-scale reset time, and sensitivity from the visible to the mid-infrared spectrum. However, while single SNSPDs have been incorporated into individual waveguides, the system efficiency of multiple SNSPDs in one photonic circuit has been limited below 0.2% due to low device yield. Here we introduce a micrometer-scale flip-chip process that enables scalable integration of SNSPDs on a range of PICs. Ten low-jitter detectors were integrated on one PIC with 100% device yield. With an average system efficiency beyond 10% for multiple SNSPDs on one PIC, we demonstrate high-fidelity on-chip photon correlation measurements of non-classical light.

The registration and alignment of a monolayer of microdomains in a self-assembled block copolymer thin film can be controlled by chemical or physical templating methods. Although planar patterns are useful for nanoscale device fabrication, three-dimensional multilevel structures are required for some applications. We found that a bilayer film of a cylindrical-morphology block copolymer, templated by an array of posts functionalized with a brush attractive to the majority block, can form a rich variety of three-dimensional structures consisting of cylinder arrays with controllable angles, bends, and junctions whose geometry is controlled by the template periodicity and arrangement. This technique allows control of microdomain patterns and the ability to route and connect microdomains in specific directions.