Forskere skaber superlille transistorer, kunstigt atom drevet af enkelte elektroner

Et team ledet af University of Pittsburgh har skabt en enkelt-elektron transistor, der udgør en byggesten til nye, mere kraftfulde computerhukommelser, avancerede elektroniske materialer, og de grundlæggende komponenter i kvantecomputere.

Forskerne rapporterer i Natur nanoteknologi at transistorens centrale komponent - en ø på kun 1,5 nanometer i diameter - fungerer med tilsætning af kun en eller to elektroner. Denne evne ville gøre transistoren vigtig for en række beregningsmæssige applikationer, fra ultratætte hukommelser til kvanteprocessorer, kraftfulde enheder, der lover at løse problemer så komplekse, at alle verdens computere, der har arbejdet sammen i milliarder af år, ikke kunne knække dem.

Ud over, den lille centrale ø kunne bruges som et kunstigt atom til at udvikle nye klasser af kunstige elektroniske materialer, eksotiske superledere med egenskaber, der ikke findes i naturlige materialer, forklarede ledende forsker Jeremy Levy, professor i fysik og astronomi ved Pitt's School of Arts and Sciences. Levy arbejdede med hovedforfatter og Pitt-fysik- og astronomistuderende Guanglei Cheng, såvel som med Pitt fysik og astronomi forskere Feng Bi, Daniela Bogorin, og Cheng Cen. Pitt-forskerne arbejdede med et hold fra University of Wisconsin i Madison ledet af materialevidenskab og ingeniørprofessor Chang-Beom Eom, herunder forskningsmedarbejdere Chung Wun Bark, Jae-Wan Park, og Chad Folkman. Også en del af holdet var Gilberto Medeiros-Ribeiro, af HP Labs, og Pablo F. Siles, en ph.d.-studerende ved State University of Campinas i Brasilien.

Levy og hans kolleger navngav deres enhed SketchSET, eller skitsebaseret enkelt-elektron transistor, efter en teknik udviklet i Levys laboratorium i 2008, der fungerer som en mikroskopisk Etch A SketchTM, tegnelegetøjet, der inspirerede ideen. Ved at bruge den skarpe ledende sonde i et atomkraftmikroskop, Levy kan skabe sådanne elektroniske enheder som ledninger og transistorer af nanometerdimensioner ved grænsefladen mellem en krystal af strontiumtitanat og et 1,2 nanometer tykt lag lanthanaluminat. De elektroniske enheder kan derefter slettes og interfacet bruges på ny.

SketchSET - som er den første enkelt-elektron transistor lavet udelukkende af oxid-baserede materialer - består af en ø-formation, der kan huse op til to elektroner. Antallet af elektroner på øen - som kun kan være nul, en, eller to – resulterer i distinkte ledende egenskaber. Ledninger, der strækker sig fra transistoren, bærer yderligere elektroner hen over øen.

En fordel ved en enkelt-elektron transistor er dens ekstreme følsomhed over for en elektrisk ladning, Levy forklarede. En anden egenskab ved disse oxidmaterialer er ferroelektricitet, som gør det muligt for transistoren at fungere som en solid-state hukommelse. Den ferroelektriske tilstand kan, i mangel af ekstern kraft, kontrollere antallet af elektroner på øen, som igen kan bruges til at repræsentere 1- eller 0-tilstanden af ​​et hukommelseselement. En computerhukommelse baseret på denne egenskab ville være i stand til at beholde information, selv når selve processoren er slukket, sagde Levy. Den ferroelektriske tilstand forventes også at være følsom over for små trykændringer på nanometerskalaer, hvilket gør denne enhed potentielt nyttig som en ladnings- og kraftsensor i nanoskala.

Siden august 2010 har Levy har ført en $7,5 mio. multi-institutionelt projekt for at konstruere en halvleder med egenskaber svarende til SketchSET, han sagde. Finansieret af U.S. Air Force Office of Scientific Research's Multi-University Research Initiative (MURI) program, den femårige indsats har til formål at overvinde nogle af de væsentligste udfordringer i forbindelse med udviklingen af ​​kvanteinformationsteknologi. Levy arbejder på det projekt med forskere fra Cornell, Stanford, University of California i Santa Barbara, University of Michigan, og UW-Madison.