Single-atom transistor er perfekt

I en bemærkelsesværdig bedrift af mikro-ingeniør, UNSW-fysikere har skabt en fungerende transistor bestående af et enkelt atom placeret præcist i en siliciumkrystal.

Den lille elektroniske enhed, beskrevet i dag i et papir offentliggjort i tidsskriftet Natur nanoteknologi , bruger som sin aktive komponent et individuelt fosforatom mønstret mellem elektroder i atomskala og elektrostatiske kontrolporte.

Denne hidtil usete atomare nøjagtighed kan give den elementære byggesten til en fremtidig kvantecomputer med uovertruffen beregningseffektivitet.

Indtil nu, enkeltatomtransistorer er kun blevet realiseret tilfældigt, hvor forskere enten har været nødt til at søge gennem mange enheder eller tune multi-atom enheder for at isolere en, der virker.

"Men denne enhed er perfekt", siger professor Michelle Simmons, gruppeleder og direktør for ARC Center for Quantum Computation and Communication på UNSW. "Dette er første gang nogen har vist kontrol over et enkelt atom i et substrat med dette niveau af præcis nøjagtighed."

Den mikroskopiske enhed har endda bittesmå synlige markører ætset på overfladen, så forskere kan forbinde metalkontakter og påføre en spænding, siger forskningsstipendiat og hovedforfatter Dr. Martin Fuechsle fra UNSW.

"Vores gruppe har bevist, at det virkelig er muligt at placere ét fosforatom i et siliciummiljø - præcis som vi har brug for det - med næsten atomær præcision, og samtidig registrere porte, " han siger.

Enheden er også bemærkelsesværdig, siger Dr Fuechsle, fordi dens elektroniske karakteristika nøjagtigt matcher teoretiske forudsigelser foretaget med professor Gerhard Klimecks gruppe ved Purdue University i USA og professor Hollenbergs gruppe ved University of Melbourne, fællesforfatterne på papiret.

UNSW-holdet brugte et scanning tunneling mikroskop (STM) til at se og manipulere atomer på overfladen af ​​krystallen inde i et ultrahøjt vakuumkammer. Ved hjælp af en litografisk proces, de mønstrede fosforatomer til funktionelle enheder på krystallen og dækkede dem derefter med et ikke-reaktivt lag af brint.

Hydrogenatomer blev fjernet selektivt i præcist definerede områder med den superfine metalspids af STM. En kontrolleret kemisk reaktion inkorporerede derefter phosphoratomer i siliciumoverfladen.

Endelig, strukturen blev indkapslet med et siliciumlag, og enheden blev kontaktet elektrisk ved hjælp af et indviklet system af justeringsmarkører på siliciumchippen for at justere metalliske forbindelser. Enhedens elektroniske egenskaber var i fremragende overensstemmelse med teoretiske forudsigelser for en enkelt fosforatomtransistor.

Det er forudsagt, at transistorer vil nå enkeltatomniveauet omkring 2020 for at holde trit med Moores lov, som beskriver en igangværende trend inden for computerhardware, hvor antallet af chipkomponenter fordobles hver 18. måned.

Dette store fremskridt har udviklet teknologien til at gøre dette muligt langt før tidsplanen og giver værdifuld indsigt til producenterne i, hvordan enheder vil opføre sig, når de når atomgrænsen, siger professor Simmons.