德國開(kāi)發(fā)出世界最小單原子晶體管

德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院一個(gè)研究團隊開(kāi)發(fā)了僅有一個(gè)原子組成的量子晶體管，而且能夠在室溫下運行。這項成果已被刊登在《先進(jìn)材料》雜志上。

這一研究開(kāi)啟了計算能力和效率的新篇章?？刂齐娮有盘杺鬏數木w管是現代電子產(chǎn)品的基礎。在逾半個(gè)世紀以來(lái)，晶體管尺寸和能耗的穩步降低，一直是推動(dòng)計算能力增長(cháng)的基本動(dòng)力。

新型晶體管依靠移動(dòng)一個(gè)銀原子開(kāi)啟或關(guān)閉電路。材料科學(xué)新聞網(wǎng)站Nanowerk稱(chēng)這種晶體管是世界上最小的晶體管。更重要的是，新型晶體管被描述為“量子開(kāi)關(guān)”，這意味著(zhù)它可以比目前的晶體管攜帶更復雜的信息。

德國研究團隊最值得關(guān)注的聲明是，新型晶體管可以在室溫下運行，目前大多數量子計算機只能在超低溫環(huán)境下運行，提高了運行成本和維護難度。

數字化對能源有巨大需求，在工業(yè)化國家中，信息技術(shù)目前用電量占整個(gè)工業(yè)用電量的10%以上，無(wú)論是計算機處理中心、個(gè)人電腦，還是從洗衣機到智能手機的各種嵌入式應用系統。

目前一個(gè)幾歐元的USB存儲器就含有上億個(gè)晶體管?？査刽敹蚶砉W(xué)院開(kāi)發(fā)的單原子晶體管未來(lái)可顯著(zhù)提高信息技術(shù)的能源效率，希梅爾教授稱(chēng)，“有了這個(gè)量子電子元件，能耗將低于傳統硅技術(shù)電子元件一萬(wàn)倍”。希梅爾教授是卡爾斯魯厄理工學(xué)院?jiǎn)卧与娮优c光子研究中心主任，被譽(yù)為單原子電子學(xué)先驅。

在《先進(jìn)材料》雜志上刊登的論文里，研究人員介紹了如何在只有單一金屬原子寬度的縫隙間建立兩個(gè)微小金屬觸點(diǎn)，實(shí)現目前晶體管所能達到的最小極限。希梅爾教授稱(chēng)，“我們在此縫隙通過(guò)電控脈沖移動(dòng)單個(gè)銀原子，完成電路閉合；當我們再將銀原子移出縫隙，電路被切斷”，由此實(shí)現世界上最小晶體管在接通電源情況下單個(gè)原子的受控可逆運動(dòng)。

與傳統量子電子元件不同，單原子晶體管不需要在接近絕對零度的低溫條件工作，它可以一直在室溫下工作，這是未來(lái)應用的一個(gè)決定性?xún)?yōu)勢。

為開(kāi)發(fā)單原子晶體管，卡爾斯魯厄理工學(xué)院研究人員還開(kāi)發(fā)了一套全新的工藝，單原子晶體管完全由金屬構成，不含半導體材料。其結果是所需電壓極低，因此能耗也極低。

研究人員之前制作單原子晶體管需要依靠液體電解質(zhì)，現在希梅爾教授及其團隊首次應用固體電解質(zhì)的工作原理，通過(guò)水溶性銀電解質(zhì)凝膠與熱解法二氧化硅凝膠電解質(zhì)結合，從而改善了安全性，更便于單原子晶體管的處理。

據研究人員稱(chēng)，他們的研究可能對計算技術(shù)的未來(lái)產(chǎn)生重大影響，尤其是在能源使用效率方面。研究團隊負責人、單原子電子和光子學(xué)中心聯(lián)合主任托馬斯.舒梅爾(Thomas Schimmel)說(shuō)，新型晶體管的能耗僅相當于當前硅技術(shù)的“萬(wàn)分之一”。

與量子計算領(lǐng)域的大多數研究一樣，這一新技術(shù)要應用在實(shí)用計算機中尚需要數年時(shí)間。新型晶體管使用金屬而非半導體材料，意味著(zhù)它不能方便地整合在傳統計算架構中。