Den nye atomalder:Byg mindre, grønnere elektronik

I drevet for at blive lille, Robert Wolkow og hans laboratorium ved University of Alberta tager kæmpe skridt fremad.

Den digitale tidsalder har resulteret i en række af mindre, renere og mindre strømkrævende teknologier siden de dage, hvor den personlige computer passede oven på et skrivebord, erstatte mainframe-modeller, der engang fyldte hele rum. Stationære pc'er har siden givet plads til mindre og mindre bærbare computere, smartphones og enheder, som de fleste af os har med rundt i lommen.

Men som Wolkow påpeger, dette teknologiske svind kan kun gå så langt, når man bruger traditionelle transistorbaserede integrerede kredsløb. Det er derfor, han og hans forskerhold sigter mod at bygge helt nye teknologier på atomskala.

"Vores ultimative mål er at lave ultra-lav-effekt elektronik, fordi det er det, der er mest efterspurgt af verden lige nu, " sagde Wolkow, iCORE-lærestolen i nanoskala informations- og kommunikationsteknologi på Det Naturvidenskabelige Fakultet. "Vi nærmer os nogle grundlæggende grænser, som vil stoppe den 30 år lange stræben efter at gøre tingene hurtigere, billigere, bedre og mindre; dette vil snart komme til en ende.

"En helt ny computermetode vil være nødvendig."

Elektronik på atomare skala

Wolkow og hans team i U of A's fysikafdeling og National Institute for Nanotechnology arbejder på at konstruere atomisk præcise teknologier, der har praktiske, applikationer fra den virkelige verden. Hans laboratorium har allerede fundet vej til Guinness Book of World Records for at opfinde verdens skarpeste genstand - et mikroskopspids kun et atom bredt for enden.

De fik et tidligere gennembrud i 2009, da de skabte de mindste kvanteprikker nogensinde - et enkelt siliciumatom, der måler mindre end en nanometer bredt - ved hjælp af en teknik, der vil blive tildelt et amerikansk patent senere på måneden.

Kvanteprikker, Wolkow siger, er kar, der begrænser elektroner, meget som lommer på et poolbord. Prikkerne kan placeres, så elektroner kan være i to lommer på samme tid, giver dem mulighed for at interagere og dele elektroner - et kontrolniveau, der gør dem velegnede til computerlignende kredsløb.

"Det kunne være lige så vigtigt som transistoren, " siger Wolkow. "Det lægger grunden til et helt nyt grundlag for elektronik, og især, ultra-lav-effekt elektronik."

Nye opdagelser baner vejen for overlegen nanoelektronik

Wolkow og hans team har bygget videre på deres tidligere succeser, modifikation af scanningstunnelmikroskoper med deres atom-brede mikroskopspids, som udsender ioner i stedet for lys med overlegen opløsning. Som nålen på en pladespiller, mikroskoperne kan spore topografien af ​​siliciumatomer, sansning af overfladetræk på atomskalaen.

I et nyt blad udgivet i Fysiske anmeldelsesbreve , post-doc-stipendiat Bruno Martins sammen med Wolkow og andre medlemmer af teamet, observerede for første gang, hvordan en elektrisk strøm flyder hen over huden på en siliciumkrystal og målte også elektrisk modstand, når strømmen bevægede sig over et enkelt atomart.

Wolkow siger, at siliciumkrystaller for det meste er glatte bortset fra disse atomtrapper - små ufuldkommenheder, hvor hvert trin er et atom højt. At vide, hvad der forårsager elektrisk modstand, og at være i stand til at registrere størrelsen af ​​modstand baner vejen for at designe overlegne nanoelektroniske enheder, han siger.

I en anden første, denne gang ledet af ph.d.-studerende Marco Taucer, forskerholdet observerede, hvordan enkelte elektroner hopper ind og ud af kvanteprikkerne, og udtænkt en metode til at overvåge hvor mange elektroner der passer i lommen og måle prikkens ladning. I fortiden, sådanne observationer var umulige, fordi selve det at prøve at måle noget så ekstraordinært lille ændrer det, siger Wolkow.

"Forestil dig, at hvis du så på noget med dine øjne, det at se på det bøjede det på en eller anden måde, " siger han. "Vi kan nu undgå den forstyrrelse på grund af at se, og så kan få adgang til og anvende prikkerne i kredsløb."

Holdets resultater, også udgivet i Fysiske anmeldelsesbreve , give videnskabsmænd mulighed for at overvåge ladningen af ​​kvanteprikker. De har også fundet en måde at skabe kvanteprikker, der fungerer ved stuetemperatur, hvilket betyder, at kostbar kryogenik ikke er nødvendig.

"Det er spændende, fordi pludselig, ting, der blev tænkt som eksotiske, fjerne ideer er tæt på. Vi tror, ​​vi kan bygge dem."

Tager den næste generation af elektronik på markedet

Wolkow og hans team tror så stærkt på det kommercielle potentiale i kredsløb på atomare skala, for to år siden lancerede de deres eget spinoff-selskab, Quantum Silicon Inc. I løbet af de næste fem til seks år, QSI planlægger at demonstrere potentialet i disse "ekstremt grønne" kredsløb, der kan gøre brug af mindre, længerevarende batterier.

Det flytter dem også fra området for grundlæggende til anvendt forskning og scenarier i den virkelige verden, siger Wolkow.

"Vi har denne gode forbindelse, hvor vi har en træningsplads for studerende og meget akademiske ambitioner om fremskridt, men disse ting overføres helt naturligt og øjeblikkeligt til denne praktiske enhed."

En stor del af deres indsats vil i første omgang fokusere på at skabe hybridteknologier – tilføjelse af atom-skala kredsløb til konventionel elektronik såsom GPS-enheder eller satellitter, som at udskifte et led i en kæde i betragtning af den tidskrævende fremstilling af de nye kredsløb. Det kan tage et årti før det er muligt at masseproducere kredsløb i atomskala, men det fremtidige potentiale er meget stærkt, siger Wolkow.

"Det har potentialet til totalt at ændre verdens elektroniske grundlag. Det er en udsigt til billioner af dollars."