單原子！德國開發(fā)出世界最小晶體管

德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院托馬斯⋅希梅爾教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)開發(fā)出了單原子晶體管——一種利用電流控制單個(gè)原子位移實(shí)現(xiàn)開關(guān)的量子電子元件。單原子晶體管可在室溫下操作，并消耗很少電能，這為未來信息技術(shù)開辟了新的應(yīng)用前景。這項(xiàng)成果已被刊登在《先進(jìn)材料》雜志上。

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。卡爾斯魯厄理工學(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。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。