Jednoatomowy tranzystor – przyszłość elektroniki?

Naukowcy z University of New South Wales w Sydney stworzyli pierwszy na świecie jednoatomowy tranzystor! Osiągnięcie australijskich naukowców może pomóc w kontynuowaniu trendu miniaturyzacji układów klasycznej elektroniki oraz być może w przyszłości przyczynić się do budowy komputera kwantowego.

Prawo Moore’a

Tranzystor to podstawowy element współczesnych urządzeń elektronicznych, zwłaszcza komputerów osobistych. Prawo Moore’a, nazwane tak na cześć założyciela firmy Intel, Gordona Moore’a, przewiduje, że liczba tranzystorów w układzie scalonym podwaja się w przybliżeniu co dwa lata. Kiedy Moore w 1965 roku ogłosił swoje spostrzeżenia, przewidywał początkowo, że trend ten utrzyma się do 1975 roku. Udało mu się nawet przewidzieć, że pojedynczy układ scalony będzie w 1975 roku zawierać około 65000 tranzystorów.

Jak ogólnie wiadomo, wspomniany trend, z dobrym przybliżeniem, utrzymuje się do dnia dzisiejszego a obecnie produkowane układy scalone składają się już z około miliarda tranzystorów. Aby trend ten mógł być nadal kontynuowany, koniecznym staje się opracowanie nowych technik produkcyjnych a to oznacza, że w roku 2020 rozmiar pojedynczego tranzystora będzie musiał być zbliżony do rozmiaru pojedynczego atomu.

Poprzednie prace grupy badawczej Michele Simmons z University of New South Wales w Sydney miały na celu opracowanie techniki umożliwiającej tworzenie atomowych przewodów wewnątrz litych kryształów krzemu. Udało się to osiągnąć poprzez selektywne usuwanie pojedynczych atomów krzemu (Si) i zastępowaniu ich atomami fosforu (P). Fosfor w porównaniu z atomem krzemu posiada dodatkowy elektron na orbicie walencyjnej. Zastąpienie atomu Si atomem P wprowadza do układu wolny elektron, zwiększając tym samym jego lokalną przewodność. W swojej najnowszej pracy grupa naukowców z Sydney wykorzystała opisaną wyżej technikę do stworzenia na powierzchni kryształu krzemu nanometrowych elektrod tranzystora. Następnie między elektrodami umieściła pojedynczy atom fosforu, otrzymując w efekcie jednoatomową wersję tranzystora polowego FET (ang. field effect transistor).

Tranzystor kwantowy

W klasycznym tranzystorze FET, wartość prądu płynącego między źródłem a drenem wzrasta płynnie wraz ze wzrostem napięcia przykładanego między bramką a drenem tranzystora. Jednoatomowy tranzystor opracowany przez naukowców z Australii działa zgodnie z regułami mechaniki kwantowej – przepływ prądu zachodzi tylko wtedy, gdy wartość różnicy potencjałów przykładanej do jego elektrod zrówna się z wartością jednego z poziomów energetycznych atomu fosforu. „Zmieniając napięcie przykładane do bramki uzyskujesz dostęp do poziomów energetycznych pojedynczego atomu fosforu”, powiedziała Simmons.

Głównym przedmiotem zainteresowania związanym bezpośrednio z jednoatomowym tranzystorem było zbadanie poziomów energetycznych atomu fosforu w obszarze sieci krystalicznej krzemu. Poziomy energetyczne atomu fosforu mogą, zdaniem naukowców, spełniać rolę qubitów w komputerze kwantowym. „W komputerze kwantowym atomy fosforu będą mogły 'komunikować się ze sobą’ za pośrednictwem sieci krystalicznej. Dzięki temu nie będzie istniała konieczność wykonywania elektrod dla każdego atomu z osobna, czyli tak jak ma to miejsce w przypadku obecnie produkowanych tranzystorów”, dodała Simmons.

Artykuł pochodzi ze strony: physicsworld.com