德國開發(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(tuán)隊(duì)開發(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(yùn)行。這項(xiàng)成果已被刊登在《先進(jìn)材料》雜志上。

這一研究開啟了計(jì)算能力和效率的新篇章。控制電子信號傳輸?shù)木w管是現(xiàn)代電子產(chǎn)品的基礎(chǔ)。在逾半個(gè)世紀(jì)以來，晶體管尺寸和能耗的穩(wěn)步降低，一直是推動(dòng)計(jì)算能力增長的基本動(dòng)力。

新型晶體管依靠移動(dòng)一個(gè)銀原子開啟或關(guān)閉電路。材料科學(xué)新聞網(wǎng)站Nanowerk稱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“量子開關(guān)”，這意味著它可以比目前的晶體管攜帶更復(fù)雜的信息。

德國研究團(tuán)隊(duì)最值得關(guān)注的聲明是，新型晶體管可以在室溫下運(yùn)行，目前大多數(shù)量子計(jì)算機(jī)只能在超低溫環(huán)境下運(yùn)行，提高了運(yùn)行成本和維護(hù)難度。

數(shù)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，無論是計(jì)算機(jī)處理中心、個(gè)人電腦，還是從洗衣機(jī)到智能手機(jī)的各種嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)。

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)院開發(fā)的單原子晶體管未來可顯著提高信息技術(shù)的能源效率，希梅爾教授稱，“有了這個(gè)量子電子元件，能耗將低于傳統(tǒng)硅技術(shù)電子元件一萬倍”。希梅爾教授是卡爾斯魯厄理工學(xué)院單原子電子與光子研究中心主任，被譽(yù)為單原子電子學(xué)先驅(qū)。

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(xiàn)目前晶體管所能達(dá)到的最小極限。希梅爾教授稱，“我們在此縫隙通過電控脈沖移動(dòng)單個(gè)銀原子，完成電路閉合；當(dāng)我們再將銀原子移出縫隙，電路被切斷”，由此實(shí)現(xiàn)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(yùn)動(dòng)。

與傳統(tǒng)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，這是未來應(yīng)用的一個(gè)決定性優(yōu)勢。

為開發(fā)單原子晶體管，卡爾斯魯厄理工學(xué)院研究人員還開發(fā)了一套全新的工藝，單原子晶體管完全由金屬構(gòu)成，不含半導(dǎo)體材料。其結(jié)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(xiàn)在希梅爾教授及其團(tuán)隊(duì)首次應(yīng)用固體電解質(zhì)的工作原理，通過水溶性銀電解質(zhì)凝膠與熱解法二氧化硅凝膠電解質(zhì)結(jié)合，從而改善了安全性，更便于單原子晶體管的處理。

據(jù)研究人員稱，他們的研究可能對計(jì)算技術(shù)的未來產(chǎn)生重大影響，尤其是在能源使用效率方面。研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)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，新型晶體管的能耗僅相當(dāng)于當(dāng)前硅技術(shù)的“萬分之一”。

與量子計(jì)算領(lǐng)域的大多數(shù)研究一樣，這一新技術(shù)要應(yīng)用在實(shí)用計(jì)算機(jī)中尚需要數(shù)年時(shí)間。新型晶體管使用金屬而非半導(dǎo)體材料，意味著它不能方便地整合在傳統(tǒng)計(jì)算架構(gòu)中。