Powstał działający jednoatomowy tranzystor! [wideo]

Naukowcy mówią o przełomie. Stworzyli stabilny tranzystor na bazie pojedynczego atomu fosforu. Mniejszych już ponoć nie będzie. Na fali entuzjazmu niektórzy wieszczą kres Prawa Moore’a i początek ery informatyki kwantowej. A kiedy tę technologię wykorzysta przemysł?

Świetne nastroje naukowców są w pełni zrozumiałe. Na ogłoszony sukces przez dekadę pracowało kilka zespołów badawczych. I był to naprawdę globalny wysiłek. Pierwszy przełom ogłoszono w 2009 r., kiedy naukowcy z Helsinki University of Technology (teraz część Aalto University) oraz University of New South Wales i University of Melbourne zbudowali tranzystor, którego aktywny obszar składał się z jednego atomu fosforu osadzonego w krzemie.

Obraz z mikroskopu elektronowego. Po lewej (a) jest górna bramka (top gate) z glinu, która wywołuje dwuwymiarową powłokę elektronową pomiędzy oddziałującymi wzajemnie warstwami krzemu i tlenku krzemu pod metalizacją. Bramka zaporowa (barier gate) zmniejsza powłokę elektronową w pobliżu dostarczającego elektronów atomu (tzw. donor) fosforu (czerwone punkty). Bramki zaporowe służą też do kontroli przewodności układu. Widoczne bramki zaporowe tworzą własne tranzystory.

Po prawej (b) pomiar przewodności różnicowej w polu magnetycznym o wartości 4 tesli. Czerwonymi i żółtymi strzałkami zaznaczono zakres spinu elektronu donora. Naukowcom chodziło o to, aby tak wykorzystać (kontrolować) zakres swobodnego spinu elektronu z atomu fosforu, żeby otrzymać bit kwantowy, czyli kubit. Problem polegał na tym, że przy takim stopniu miniaturyzacji tranzystora zaczynały występować tzw. efekty kwantowo-mechaniczne. Dlatego jednoatomowe tranzystory były wynikiem szczęścia i przypadku, a nie powtarzalnej, laboratoryjnej reguły. Aż do teraz.

Trójwymiarowy obraz – uzyskany dzięki skaningowemu mikroskopowi tunelowemu (STM) – idealnie symetrycznego jednoatomowego tranzystora. Naukowcy z University of New South Wales, wykorzystując STM i kapsułę ultra-wysokiej próżni (UHV, ciśnienie poniżej 100 nanopaskali), techniką litografii modelowali atom fosforu w już funkcjonalne elementy na krysztale krzemu, a następnie pokrywali całość niewchodzącą w reakcje warstwą wodoru. Potem atomy wodoru były precyzyjnie usuwane z wybranych obszarów za pomocą czubka metalowego manipulatora STM-u. Wtedy kontrolowana reakcja chemiczna osadzała atomy fosforu na powierzchni krzemu. Na sam koniec cała struktura była pokrywana warstwą krzemu. Przyszły tranzystor łączy się elektrycznie, korzystając z układu złożonych markerów, idealnie pasujących do metalicznych połączeń na krzemowym układzie scalonym.

Elektroniczne właściwości tak otrzymanego urządzenia całkowicie potwierdziły teoretyczne założenia opublikowane przed laty przez zespoły badawcze prof. Gerharda Klimecka z Purdue University (USA) i prof. Lloyda Hollenberga z University of Melbourne.

A tak wygląda komputerowy model nowego tranzystora z centralnie widocznym atomem fosforu. Jest to niewątpliwy i ogromny sukces zespołów badawczych z uniwersytetów w Nowej Południowej Walii, Melbourne i Purdue. Razem z ich innym niedawnym (styczniowym) osiągnięciem, czyli fosforowo-krzemowym przewodem o wymiarach jednego atomu na cztery, staje się punktem wyjścia do konstruowania komputerów kwantowych.

Kiedy zatem doczekamy się procesorów produkowanych z użyciem tej technologii? Naukowcy nie wiedzą. Jest mały problem. Jednoatomowy tranzystor do stabilnej pracy potrzebuje bardzo niskich temperatur, dokładnie minus 196°C lub mniej. Dlatego trzymany jest w ciekłym azocie. Tylko tak niskie temperatury gwarantują pożądanie mały zakres spinu elektronów. Naukowcy mówią wprost, potrzebna jest technologia, która zapewniałaby taki sam efekt w temperaturach pokojowych.

Materiały ScienceDaily